БОРСОДЕРЖАЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2017 года по МПК G01T3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к борным покрытиям для детектирования нейтронов и особенно относится к нанесению борных покрытий для детектирования нейтронов с помощью электростатического напыления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Трубчатые детекторы нейтронов могут включать борные покрытия, чтобы взаимодействовать с проходящими нейтронами и выделять заряженные частицы в замкнутый объем для создания электрического сигнала. Оптимальная эффективность детектора нейтронов может зависеть от нескольких факторов, включая: относительно тонкие однородные борные покрытия по всей длине детектора нейтронов, минимальные следы других элементов и соединений и соотношение отдельных изотопов бора в общем содержании бора в покрытии.

Ранее известные способы нанесения бора на поверхность детектора нейтронов могут приводить к образованию неравномерной толщины борных покрытий по длине детектора нейтронов. Эти же способы могут приводить к образованию борных покрытий с нежелательными промежутками, вызванными действием капиллярных сил вокруг микроскопических особенностей поверхности детектора. Другие известные способы включают использование связующих для сцепления бора с детектором нейтронов, при этом вводят примеси, которые могут создавать помехи для детектирования нейтронов. Помимо этого, некоторые ранее известные способы нанесения бора на поверхность детектора нейтронов могут быть относительно дорогими. Поэтому существует потребность в оптимизированном способе нанесения бора, при котором создают относительно тонкие однородные борные покрытия по всей длине детектора нейтронов с минимальными следами других элементов и соединений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следующее краткое описание представляет собой упрощенное краткое описание с целью обеспечения основного понимания некоторых аспектов систем и/или способов, обсуждаемых в данном документе. Данное краткое описание не является подробным обзором систем и/или способов, обсуждаемых в данном документе. Оно не направлено на обозначение ключевых/критических элементов или на определение границ области защиты таких систем и/или способов. Его единственная цель состоит в представлении некоторых принципов в упрощенной форме в качестве вводной части к более подробному описанию, которое представлено позже.

Согласно одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает детектор нейтронов, включающий внешнюю оболочку, ограничивающую внутренний объем. Детектор нейтронов включает по меньшей мере участок стенки, служащий в качестве катода. В одном примере участок стенки имеет микроскопические особенности. Детектор нейтронов включает центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую в качестве анода. Детектор нейтронов включает борное покрытие на участке стенки, причем борное покрытие наносят с помощью способа электростатического напыления. В одном примере борное покрытие соответствует по форме микроскопическим особенностям участка стенки. Детектор нейтронов включает электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, собранного центральной конструкцией.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает детектор нейтронов, включающий внешнюю оболочку, ограничивающую внутренний объем. Детектор нейтронов включает по меньшей мере участок стенки, служащий в качестве катода и имеющий микроскопические особенности. Детектор нейтронов включает центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую в качестве анода. Детектор нейтронов включает борное покрытие на участке стенки. Борное покрытие соответствует по форме микроскопическим особенностям участка стенки и имеет толщину от 2 до 5 мкм. Детектор нейтронов включает электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, собранного центральной конструкцией.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ нанесения борного покрытия на поверхность детектора нейтронов. Способ включает обеспечение проводящей поверхности детектора нейтронов. В одном примере участок стенки имеет микроскопические особенности. Способ включает электростатическое напыление борсодержащего порошка на проводящую поверхность детектора нейтронов, что приводит к образованию борного покрытия на проводящей поверхности детектора нейтронов. В одном примере борное покрытие соответствует по форме микроскопическим особенностям, расположенным на проводящей поверхности детектора нейтронов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Приведенные выше и другие аспекты изобретения станут ясными специалисту в области, к которой относится изобретение, после прочтения следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой схематический вид примера детектора нейтронов с борным покрытием согласно аспекту настоящего изобретения,

Фиг.2 представляет собой вид поперечного сечения части примера детектора нейтронов, изображенного на Фиг.1, во время процесса напыления бора согласно аспекту настоящего изобретения,

Фиг.3 представляет собой вид поперечного сечения части примера детектора нейтронов, изображенного на Фиг.1, во время процесса напыления бора, который включает связующее, согласно аспекту настоящего изобретения, и

Фиг.4 представляет собой блок-схему верхнего уровня примера способа нанесения борного покрытия на поверхность детектора нейтронов согласно аспекту настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Примеры воплощений изобретения, которые включают один или более аспектов изобретения, описаны и проиллюстрированы на чертежах. Эти проиллюстрированные примеры не направлены на ограничение изобретения. Например, один или более аспектов изобретения можно использовать в других воплощениях и даже других типах устройств. Кроме того, в настоящем документе используют определенную терминологию только для удобства, и ее не следует воспринимать как ограничивающую изобретение. Кроме того, одинаковые численные обозначения на чертежах применяют для обозначения одинаковых элементов.

Схематическое изображение примера детектора 10 нейтронов в целом показано на Фиг.1. Следует иметь в виду, что на Фиг.1 показан один пример возможных конструкций/конфигураций/и т.п., и что в пределах области защиты настоящего изобретения предполагают и другие примеры. В одном особом примере детектор 10 нейтронов используют для детектирования проходящих нейтронов, например, путем наблюдения за заряженными частицами, образующимися при ядерных реакциях, вызванных нейтронами. Детекторы 10 нейтронов можно использовать в различных применениях, таких как радиационный контроль отработанного ядерного топлива, или в применениях, связанных с национальной безопасностью.

Детектор 10 нейтронов может включать внешнюю оболочку 20. Внешняя оболочка 20 может иметь круглое сечение, образуя цилиндрическую внешнюю оболочку 20, хотя также предполагают и другие формы сечения. Внешняя оболочка 20 может включать стенку 30 и два конца 40 для ограничения внутреннего объема 50, который может содержать газ. Стенка 30 представляет собой один пример участка стенки 30. Следует иметь в виду, что участок стенки может представлять собой всю стенку или ее часть, или любую другую конструкцию, которая имеет поверхность стенки, которая электрически соединена с внешней оболочкой 20.

В электрической цепи внешняя оболочка 20 может действовать как катод. На двух концах 40 внешней оболочки 20 можно расположить изолятор 52, чтобы удерживать центральную конструкцию 54 на месте и чтобы предотвратить прохождение электрических зарядов между центральной конструкцией 54 и внешней оболочкой 20 в результате непосредственного контакта. Центральная конструкция 54 в общем случае может быть расположена вблизи центральной оси внешней оболочки 20. Центральная конструкция 54 может иметь пропорции, аналогичные проволоке, и может действовать как анод в электрической цепи. Борное покрытие 60 покрывает внутреннюю поверхность стенки 30. Детектор 10 нейтронов также включает электрический соединитель 61, установленный на одном из изоляторов 52, для передачи сигнала, собранного центральной конструкцией 54.

Обратимся к Фиг.2; борное покрытие 60 наносят на внутреннюю поверхность стенки 30 с помощью электростатического напыления, также известного как нанесение покрытия электроосаждением. Следует иметь в виду, что частицы, составляющие борное покрытие 60, показанные на Фиг.2 и 3, представлены только в иллюстративных целях и не отображают действительные размеры частиц или масштаб размеров и, таким образом, их не следует использовать для определения относительных размеров (например, размер частицы может быть преувеличен). Кроме того, формы частиц представляют собой только сферические представления частиц борсодержащего порошка. Частицы борсодержащего порошка могут иметь неправильные формы и сечения. Нанесение покрытия электростатическим напылением включает псевдоожижение мелких частиц бора или борсодержащего порошка 62 в несущей текучей среде. Примеры несущей текучей среды, известные в уровне техники, включают сжатые газы, такие как воздух, азот, аргон и другие газы. Псевдоожиженные частицы проходят через распылитель и электрически заряжаются. Появление электростатического заряда может происходить посредством трибоэлектрического эффекта, с помощью коронного разряда от высоковольтного электрода или любыми другими известными в уровне техники способами сообщения заряда частицам. Электростатическое напыление может включать использование стандартного электростатического распылителя 66, известного в уровне техники. Псевдоожиженные частицы напыляют на проводящую поверхность, которая может являться внутренней поверхностью стенки 30 внешней оболочки 20 детектора 10 нейтронов. Электростатический распылитель 66 можно передвигать во внутреннем объеме 50, чтобы охватить всю площадь проводящей поверхности. Примеры проводящей поверхности включают (но не ограничиваются перечисленным) металлы, неметаллы с нанесенным металлизированным слоем и нагретое стекло. Во время процесса электростатического напыления проводящую поверхность заземляют, тем самым, обеспечивая силы электрического притяжения (или силы сцепления) между проводящей поверхностью и электростатически заряженными псевдоожиженными частицами борсодержащего порошка 62.

Во время электростатического напыления псевдоожиженных частиц борсодержащего порошка 62 электростатические силы, создаваемые зеркальным изображением заряда, сцепляют Псевдоожиженные частицы с проводящей поверхностью; они возникают каждый раз, когда заряженный объект оказывается вблизи проводящего тела. В состоянии равновесия в проводнике может не быть электрического поля. В результате, заряды перемещаются на его поверхность, чтобы экранировать поле любых внешних зарядов. Вне проводника воздействие данного поверхностного заряда идентично воздействию, которое можно было бы наблюдать, если бы проводник удалили и затем заменили равным и противоположным зеркальным изображением внешнего заряженного тела. Притяжение между заряженными псевдоожиженными частицами и их «изображениями» в проводнике удерживает покрытие из псевдоожиженных частиц на месте. Электростатические силы, создаваемые зеркальным изображением заряда, являются основными силами, обеспечивающими сцепление непосредственно после электростатического напыления псевдоожиженных частиц. Эти силы обычно исчезают за относительно короткое время, иногда продолжающееся от нескольких минут до нескольких часов.

После исчезновения электростатических сил, создаваемых зеркальным изображением заряда, три вида сил сцепления обладают достаточной величиной и дальностью распространения, чтобы их учитывали в окончательном сцеплении электростатически напыленных псевдоожиженных частиц с проводящей поверхностью. Эти силы представляют собой электростатические силы контактной разности потенциалов, силы Ван-дер-Ваальса и капиллярные силы. Электростатические силы контактной разности потенциалов направляют движение псевдоожиженных частиц и обеспечивают их сцепление с проводящей поверхностью, и эти электростатические силы остаются основной силой, обеспечивающей сцепление после исчезновения электростатических сил, создаваемых зеркальным изображением заряда. Знак электрического заряда псевдоожиженных частиц является таким, что кулоновская сила при этом механизме сцепления складывается с силой, являющейся результатом как трибоэлектрического способа сообщения заряда, так и способа сообщения заряда псевдоожиженным частицам с помощью коронного разряда. Электростатические силы контактной разности потенциалов применимы только для разнородных материалов, находящихся в контакте. Поэтому они могут вносить вклад в сцепление покрытия с проводящей поверхностью, но не в когезию псевдоожиженных частиц друг с другом. Электростатические силы контактной разности потенциалов исчезают, когда электростатический распылитель больше не создает электрическое поле или когда проводящую поверхность убирают для последующей обработки.

Силы Ван-дер-Ваальса также способствуют сцеплению псевдоожиженных частиц с проводящей поверхностью. Силы Ван-дер-Ваальса присутствуют в любой системе, в которой тела находятся в близком контакте. Хотя величина этих сил в некоторой степени зависит от выбора псевдоожиженных частиц (таких как борсодержащее соединение), обычно она достаточно высока, что приводит к надлежащему сцеплению псевдоожиженных частиц с проводящей поверхностью, если частицы достаточно малы, а борное покрытие 60 формируют таким образом, чтобы обеспечить множество близких контактов между частицами. Для псевдоожиженных частиц, находящихся в близком контакте, силы Ван-дер-Ваальса могут быть довольно сильными, однако данные силы эффективны только в реальной области контакта.

Капиллярные силы также способствуют сцеплению псевдоожиженных частиц с проводящей поверхностью. Присутствие жидкости в области контакта двух псевдоожиженных частиц или псевдоожижженной частицы и проводящей поверхности может сильно влиять на силы сцепления. Капиллярные силы могут быть на порядки выше по величине, чем другие описанные силы сцепления. Из-за этого иногда используют обработку паром для временного улучшения сцепления электростатически напыленного покрытия. Когда вода испарится, капиллярные силы исчезают. Тем не менее, часто существует полезное остаточное увеличение сцепления, являющееся результатом небольшой локальной перегруппировки частиц или увеличения площади контакта, когда присутствуют капиллярные силы.

Обратимся к Фиг.3; если описанные силы сцепления не обеспечивают требуемого сцепления псевдоожиженных частиц с проводящей поверхностью, в способе можно применять добавки или связующие 70, либо в форме порошка, либо в жидкой форме. Эти связующие 70 обычно представляют собой полимеры, которые могут отверждаться при нагревании, или сольватированные полимеры, которые отверждаются после испарения растворителя. Однако присутствие добавок или связующих 70 не является обязательным.

Было установлено, что четыре параметра значительно влияют на результат электростатического напыления бора или борсодержащего порошка: размер частиц, проводимость частиц, влажность и величина высокого напряжения в распылителе. Размер частиц оказывает сильное влияние на образование борного покрытия 60. Заряд при насыщении на отдельной частице изменяется как квадрат радиуса частицы (r²). Так как число частиц на единицу толщины покрытия изменяется обратно пропорционально кубу радиуса частицы (1r³), заряд на покрытии обратно пропорционален радиусу частицы (1/r). Следовательно, чем меньше размер частиц, тем выше заряд и лучше электростатическое сцепление.

Размер частиц также влияет на результат электростатического напыления бора или борсодержащего порошка из-за его связи с конечной скоростью частиц. Конечная скорость псевдоожиженных частиц прямо пропорциональна радиусу частиц. Чем меньше размер, тем ниже скорость относительно несущей текучей среды электростатического распылителя и, следовательно, тем ниже скорость напыления. Кроме того, если псевдоожиженные частицы являются деформируемыми, более низкая скорость частиц вызывает меньшую упругую деформацию после столкновения с проводящей поверхностью, что приводит к возникновению несколько более слабой силы сцепления Ван-дер-Ваальса, чем это вообще возможно.

Размер частиц дополнительно влияет на толщину борного покрытия 60. Первые псевдоожиженные частицы, чтобы достичь проводящей поверхности, притягиваются проводящей поверхностью посредством силы, создаваемой зеркальным изображением их заряда, которая равна квадрату заряда частицы, деленному на четыре квадрата радиуса частицы (q²/Ar²). В большинстве случаев напыленные частицы теряют свои заряды медленно, и каждый следующий слой увеличивает поверхностный потенциал. В итоге, при некоторой предельной толщине борного покрытия 60 дальнейшее напыление на проводящую поверхность не происходит. Любая попытка превысить эту критическую толщину повышает поверхностный потенциал выше уровня диэлектрической прочности слоя, что приводит к локальному электрическому разряду, и большая часть заряда утекает в проводящую поверхность. Любая попытка электростатического напыления дополнительного борсодержащего порошка 62 на проводящую поверхность приводит к сбрасыванию дополнительных псевдоожиженных частиц с покрытия из-за того, что силы сцепления недостаточны для их удержания на поверхности покрытия. Предельная толщина покрытия зависит от размера частиц: меньшие размеры частиц обычно приводят к уменьшению предельной толщины покрытия. В одном примере предельная толщина покрытия может составлять приблизительно 25 мкм.

Проводимость частиц представляет собой другой фактор, который может значительно влиять на результат электростатического напыления бора или борсодержащего порошка. Для псевдоожиженных частиц, обладающих проводимостью более приблизительно 10^-8 Сименс/сантиметр (См⋅см^-1), трибоэлектрическое накопление заряда минимально, и коронный заряд быстро теряется в проводящей поверхности, снижая сцепление порошка с проводящей поверхностью. Псевдоожиженные частицы, обладающие еще большей проводимостью, могут получать заряд от проводящей поверхности, и порошок будет стремиться отталкиваться от проводящей поверхности. Для порошков, обладающих проводимостью менее приблизительно 10^-12-10^-14 См⋅см^-1, эффективность напыления снижается из-за того, что поверхность осаждения не может нейтрализовать заряд во время напыления. Псевдоожиженные частицы с низкой проводимостью создают градиент напряжения между внешними слоями порошка и проводящей поверхностью, который может превышать искровой пробой воздуха, и создают условия для явления, известного как «образование лунки обратным коронным разрядом» или «образование отверстия под действием напряжения». Локальные пробои создают противоположно заряженные ионы, которые нейтрализуют заряд порошка и создают лунки в напыленном порошке. Проводимость псевдоожиженных частиц является важным фактором для эффективности напыления порошка при нанесении с помощью электростатического напыления. Посредством приведения температуры или влажности среды при электростатическом напылении к требуемым условиям можно выгодно изменить проводимость порошка. Обычные кондиционирующие агенты могут включать (но не ограничиваются перечисленным) водяной пар, триэтиламин, H₂SO₄, SO₂, NaCl и NaOH.

Влажность среды при электростатическом напылении является другим фактором, который может значительно влиять на результат электростатического напыления бора или борсодержащего порошка. Существует максимальное напряжение, которое можно прикладывать между оборудованием для электростатического напыления и проводящей поверхностью, после превышения которого происходит искровой пробой воздуха. Обычно, при постоянной температуре, максимальное прикладываемое напряжение можно увеличить при более высоких уровнях влажности. В результате, чем выше влажность, тем более высокий используемый заряд и управляющее напряжение можно использовать при электростатическом напылении. Однако, если влажность является настолько высокой, что влага фактически конденсируется на оборудовании для электростатического напыления, могут возникать другие пути утечки напряжения. Кроме того, если порошок обладает высокой проводимостью, высокая влажность может оказывать негативное воздействие на процесс зарядки порошка. Влажность также играет значительную роль в капиллярных силах, которые были описаны ранее.

Величина высокого напряжения в оборудования для электростатического напыления является другим фактором, который может значительно влиять на результат электростатического напыления бора или борсодержащего порошка. Существует прямая зависимость между максимальным зарядом частицы и величиной высокого напряжения в устройстве для электростатического напыления. Как таковое увеличение значения напряжения в устройстве для электростатического напыления может увеличить толщину порошкового покрытия из-за увеличения величины зарядов частиц порошка и образования более плотного облака частиц порошка на электроде устройства для электростатического напыления. Полученное увеличение толщины порошкового покрытия может привести к более эффективному покрытию проводящей поверхности порошком бора в результате обеспечения более быстрой линейной скорости перемещения устройства для электростатического напыления и меньшего количества нанесений для достижения требуемой толщины борного покрытия 60.

Электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 для создания борного покрытия 60 на внутренней поверхности детектора 10 нейтронов может обеспечить дополнительное преимущество, состоящее в однородном соответствии особенностям проводящей поверхности. На внешней стороне проводящей поверхности могут присутствовать микроскопические особенности, такие как возвышения и углубления, и такие микроскопические особенности могут быть неудовлетворительно покрыты при обычных нанесениях борного покрытия. Например, один способ нанесения борного покрытия включает погружение проводящей поверхности в дисперсии бора или соединений бора на водной основе. Действие капиллярных сил молекул воды может препятствовать образованию однородного борного покрытия или покрытия на основе соединений бора на микроскопических особенностях проводящей поверхности. Некоторые способы нанесения борных покрытий для детектора нейтронов могут включать нанесение суспензии борного покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрической детали. Во время последующих операций сушки сила тяжести может оказывать влияние на толщину борного покрытия, так как суспензия может течь перед полным высыханием. Электростатическое напыление борсодержащего порошка может устранить нежелательные воздействия силы тяжести на суспензию борсодержащего порошка. Например, цилиндрический компонент детектора нейтронов при сушке суспензионного покрытия на внутренней поверхности можно разместить так, чтобы ось цилиндра была ориентирована вертикально. Сила тяжести при этом, естественно, тянет суспензию вниз вдоль цилиндра, в результате чего образуется неоднородное борное покрытие с переменным внутренним диаметром вдоль длины цилиндра. Переменный внутренний диаметр борного покрытия обычно связан с образованием более тонкого покрытия в верхней части цилиндра и более толстого покрытия в нижней части цилиндра после такого способа сушки. Это может создавать особенные проблемы при больших длинах цилиндров. В качестве альтернативы, электростатическое напыление обеспечивают электростатическое притяжение борсодержащего порошка 62 непосредственно ко всем областям лицевой стороны проводящей поверхности, включая любые присутствующие микроскопические особенности, такие как локальные возвышения и углубления. Это создает лучшую непрерывную однородность покрытия на внутренней поверхности цилиндра.

Следует понимать, что борсодержащий порошок 62 может включать чистый бор, соединение бора или смесь, содержащую бор. Борсодержащий порошок 62 также может включать природные изотопы бора в особом соотношении. Например, общее содержание бора может составлять минимум приблизительно 97 масс.%, а отношение изотопа ¹⁰B к общему содержанию бора может составлять минимум приблизительно 98 масс.%. Бор имеет два природных изотопа, ¹⁰B и ¹¹B, обычно обнаруживаемых в соотношении приблизительно 20% ¹⁰B на приблизительно 80% ¹¹B. При обычных условиях эти два изотопа совершенно по-разному реагируют при взаимодействии со свободным нейтроном. В идеале, нейтроны, поступающие в детектор 10 нейтронов, поглощаются ¹⁰B, который затем испускает другие заряженные частицы, которые могут вызвать каскад взаимодействий частиц, которые затем взаимодействуют с центральной конструкцией 54 анодной части детектора 10 нейтронов (лучше видно на Фиг.1). Обычный детектор 10 нейтронов основан на том, что эти испущенные заряженные частицы и каскад других взаимодействий получающихся частиц приводят к возникновению сигнала, представляющего обнаруженный нейтрон или группу нейтронов. Однако изотоп ¹¹B просто поглощает нейтрон без испускания других заряженных частиц, что делает ¹¹B неэффективным для использования в детектировании нейтронов. Это различие в поведении двух природных изотопов бора при поглощении нейтрона означает, что отношение изотопа ¹⁰B к общему содержанию бора приблизительно равно эффективности детектора 10 нейтронов. Например, если борное покрытие 60 содержит 92% ¹⁰B и 8% ¹¹B, то детектор 10 нейтронов будет иметь эффективность 92% (не учитывая небольшие количества примесей в покрытии) по всей покрытой площади. Поэтому требуется создать такое отношение изотопа ¹⁰B к общему содержанию бора в борсодержащем порошке 62, которое является настолько высоким, насколько оно практически достижимо.

В одном примере борсодержащий порошок 62 может включать кристаллические частицы бора, полученные путем струйного измельчения борсодержащего сырья до конкретного размера частиц. Например, более чем приблизительно 75% частиц имеют диаметр менее приблизительно 1 мкм, более чем приблизительно 95% частиц имеют диаметр менее приблизительно 3 мкм и по существу все частицы имеют диаметр менее приблизительно 15 мкм. Оптимальная эффективность детектора 10 нейтронов зависит, в частности, от относительной толщины борного покрытия 60, нанесенного на стенку 30 внешней оболочки 20 детектора нейтронов. В идеале, нейтроны, поступающие в детектор 10 нейтронов, поглощаются бором, который затем испускает другие заряженные частицы, которые могут вызвать каскад взаимодействий частиц во внутреннем объеме 50, которые затем взаимодействуют с анодной частью детектора 10 нейтронов. Однако, если нанесенный слой порошка бора является относительно толстым, бор просто поглощает нейтрон без испускания других заряженных частиц и становится «самозахватывающим», делая детектор 10 нейтронов неэффективным. Поэтому требуется получить оптимизированный порошок бора с размерами частиц, составляющими приблизительно 1 мкм в диаметре, для обеспечения относительно тонких покрытий на поверхности детектора 10 нейтронов. Размер частиц бора, составляющий приблизительно 1 мкм, является особенно эффективным для электростатического напыления с помощью электростатического распылителя 66, а также в различных других способах напыления борсодержащего порошка 62 для детектирования нейтронов. Требуемая толщина борного покрытия 60 в детекторе 10 нейтронов может составлять 2-5 мкм или, в качестве альтернативы, 3-4 мкм.

Электростатическое напыление особенно хорошо подходит для нанесения однородных тонких покрытий на проводящие поверхности из-за того, что электростатические силы сцепления приводят к напылению одного слоя порошка на проводящую поверхность за один раз. Например, не происходит неравномерное нанесение заряженных частиц бора, потому что силы сцепления, возникающие при электростатическом напылении частиц порошка непосредственно на области проводящей поверхности, вызывают наибольшую силу, притягивающую частицы бора. Области приложения наибольшей силы, притягивающей частицы бора, представляют собой те области, на которых нет слоя частиц бора, покрывающих проводящую поверхность. Дополнительные частицы бора не притягиваются к областям, уже покрытым слоем частиц бора, и не сцепляются с ними, а обязательно направляются в первую очередь к областям, не содержащим частиц бора. Только после того, как вся проводящая поверхность покрывается частицами бора, второй слой бора сцепляется с ранее напыленными частицами бора. С помощью электростатического напыления борсодержащего порошка 62 можно за одно прохождение распылителя напылить один слой частиц бора, который является эффективным для детектирования нейтронов; однако также предусмотрены и многократные прохождения распылителя.

После завершения электростатического напыления проводящую поверхность и борное покрытие 60 можно подвергнуть последующей обработке для дополнительного сцепления борного покрытия 60 с проводящей поверхностью, но эта стадия не является необходимой. В одном примере проводящую поверхность и борное покрытие 60 можно подвергнуть воздействию повышенных температур, чтобы создать бориды в проводящей поверхности, причем молекулы бора мигрируют в проводящую поверхность. Однако во многих случаях описанные силы сцепления в достаточной мере сцепляют борное покрытие 60 с внутренней поверхностью стенки 30 без дополнительной обработки. Также можно провести другие действия после электростатического напыления, включая увлажнение для удаления любых ненужных электростатических зарядов на борном покрытии 60 и проводящей поверхности.

В одном примере применения борсодержащего порошка 62 для детектирования нейтронов содержание растворимого остатка, смешанного с порошком бора, составляет менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора. Одним из примеров растворимого остатка является органическая примесь. Следует иметь в виду, что термин «органическая» является широким, и данная классификация может расширяться. В частности, данная классификация включает материалы, которые содержат углеродный компонент. Органические примеси могут быть введены в порошок бора во время струйного измельчения из таких источников, как масла для смазки воздушного компрессора, частицы полимерного облицовочного материала, используемого на внутренней части струйной мельницы, и связующие материалы, используемые для сцепления полимерного облицовочного материала с внутренней стенкой струйной мельницы. Электростатическое напыление борсодержащего порошка 62 не обязательно требует применения связующих 70 для сцепления порошка с проводящей поверхностью. В результате, электростатическое напыление борсодержащего порошка 62 может уменьшить количество растворимого остатка в конечном борном покрытии 60 по сравнению с некоторыми ранее известными способами нанесения бора, такими как дисперсии на основе порошка бора в масле с каучуковым связующим.

Оптимальная эффективность детектора 10 нейтронов частично зависит от минимальных уровней растворимых остатков в порошке бора, нанесенном на поверхность детектора 10 нейтронов. Растворимые остатки, такие как органические примеси, могут выделять газы, вводя органические соединения во внутренний объем 50 детектора 10 нейтронов. Во время процесса изготовления внутренний объем 50 заполняют особой композицией газов для эффективного действия детектора 10 нейтронов. Органические соединения, выделяющиеся в виде газов, могут загрязнять эту особую композицию газов и уменьшать эффективность действия детектора 10 нейтронов. Таким образом, особенно желательно иметь борсодержащий порошок 62, содержащий менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора для применений в детектировании нейтронов.

Электростатическое напыление борсодержащих порошков также может устранить необходимость в связующих 70 при нанесении борного покрытия 60 на внутреннюю поверхность стенки 30 детектора нейтронов. Операции электростатического напыления могут основываться на применении сжатого газа и электромагнитных сил для передвижения борсодержащего порошка 62 к проводящей поверхности и сцепления порошка с проводящей поверхностью. Силы электромагнитного сцепления можно использовать в качестве единственных сил, требующихся для удержания борного покрытия 60 на проводящей поверхности.

На эффективность детектора 10 нейтронов могут негативно влиять химические элементы и химические соединения, смешанные с бором в борном покрытии 60. Устранение материала связующего 70 из способа нанесения борного покрытия способствует ограничению в борном покрытии 60 количества материала, который может уменьшить эффективность детектора 10 нейтронов. Гамма-излучение может воздействовать на материалы, отличные от бора, таким образом, что они выделяют заряженные частицы во внутренний объем 50 детектора 10 нейтронов. В свою очередь, эти заряженные частицы могут притягиваться к центральной конструкции 54 анода детектора 10 нейтронов, создавая ложный положительный сигнал детектирования нейтрона. Гамма-излучение не оказывает воздействия на бор, и он не выделяет заряженные частицы, являющиеся результатом взаимодействий с гамма-излучением и создающие ложный положительный сигнал детектирования нейтрона. В результате, устранение связующих 70 может привести к повышению эффективности детектора 10 нейтронов. Кроме того, устранение связующих 70 способствует ограничению количества растворимого остатка, который может смешиваться с борсодержащим порошком 62. Оптимальная эффективность детектора 10 нейтронов частично зависит от минимальных уровней растворимых остатков в борсодержащем порошке 62, нанесенном на проводящую поверхность детектора 10 нейтронов, как описано ранее.

Электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 также может понизить стоимость изготовления детектора 10 нейтронов, при этом также способствуя обеспечению соответствующей чувствительности детектора 10 нейтронов. Например, электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 может происходить при температуре и давлении окружающей среды, что устраняет затраты на поддержание особой окружающей среды для нанесения борного покрытия. Электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 также может происходить с применением небольшого количества защитных газов или без их применения, что устраняет затраты на особую окружающую среду. Устранение этих параметров в способе изготовления также способствует обеспечению повторяемых, воспроизводимых результатов в уровне чувствительности детекторов 10 нейтронов. Электростатическое напыление борных покрытий 60 может снизить производственные издержки для детекторов 10 нейтронов по сравнению с другими способами и технологиями нанесения борсодержащего порошка, такими как вакуумное напыление.

Электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 также может понизить количество отходов в способе производства детектора 10 нейтронов путем нанесения такого количества борсодержащего порошка 62 на проводящую поверхность, которое близко к действительному количеству борсодержащего порошка 62, которое останется на проводящей поверхности в конечном продукте. Способы, в которых используют суспензию борсодержащего порошка 62 и последующее отведение лишнего материала, включают сравнительно большие количества отходов.

Другое преимущество электростатического напыления борсодержащих порошков 62 по сравнению с применением суспензии состоит в уменьшении стоимости и усилий, связанных с хранением борного материала перед его нанесением. Операции изготовления детектора 10 нейтронов с использованием электростатического напыления борсодержащих порошков 62 включают хранение сухих порошков бора. В качестве альтернативы, ранее известные применения суспензии бора включают хранение борсодержащих жидкостей. При хранении и изготовлении этих жидкостей возникают такие проблемы, как поддержание надлежащей вязкости хранящейся жидкости, рост плесени, рост грибков, удаление жидкости, избыточно нанесенной на цилиндры детектора 10 нейтронов, фильтрование жидкости и минимизация агломератов в жидкости. Хранение и электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 не приводит к возникновению ни одной из этих проблем.

Кроме того, электростатическое напыление борсодержащих порошков 62 уменьшает проблемы, связанные с окислением молекул бора, по сравнению с применением суспензии. Присутствие воды в суспензии бора приводит к возможности диссоциации молекул воды, что позволяет свободному кислороду присоединяться к молекулам бора. Известно, что окисленные молекулы бора при включении в борное покрытие 60 детектора 10 нейтронов уменьшают эффективность детектора 10 нейтронов.

Пример способа напыления борного покрытия 60 на проводящую поверхность детектора нейтронов в общих чертах описан на Фиг.4. Способ можно выполнять в связи с примером детектора нейтронов, изображенного на Фиг.1, и с применением псевдоожиженных частиц, изображенных на Фиг.2 и 3. Способ включает стадию 110 обеспечения проводящей поверхности детектора нейтронов. Проводящую поверхность можно изготовить из металлов, неметаллов с металлизированным напыленным слоем или стекла, которое нагрели для повышения его проводимости. Проводящая поверхность может представлять собой внутреннюю поверхность цилиндра, хотя также предусмотрены и другие геометрические формы, включающие внутренние поверхности.

Способ также включает стадию 120 электростатического напыления борсодержащего порошка на проводящую поверхность детектора нейтронов. Во время процесса электростатического напыления проводящую поверхность электрически заземляют, тем самым, обеспечивая силы электрического сцепления между проводящей поверхностью и электростатически заряженными псевдоожиженными частицами борсодержащего порошка. Силы сцепления связывают псевдоожиженные частицы с проводящей поверхностью. Полученное борное покрытие 60 имеет оптимальную толщину и нанесено равномерно по всей проводящей поверхности детектора нейтронов. Кроме того, борное покрытие 60 соответствует по форме любым присутствующим микроскопическим особенностям, расположенным на проводящей поверхности детектора нейтронов.

В одном примере способа одновременно с электростатическим напылением псевдоожиженных частиц борсодержащего порошка на проводящую поверхность можно нанести связующее. Эта дополнительная стадия может быть необходимой, когда силы электростатического сцепления недостаточно сильны для удержания борного покрытия на проводящей поверхности. В другом примере способа однородная толщина борного покрытия составляет от 2 до 5 мкм. В еще одном примере способа однородная толщина борного покрытия составляет от 3 до 4 мкм.

В другом примере способа минимальное общее содержание бора в борсодержащем порошке составляет приблизительно 97 масс.%, а минимальное отношение изотопа ¹⁰B к общему содержанию бора составляет приблизительно 98 масс.%. В другом примере способа борсодержащий порошок включает растворимый осадок, смешанный с бором, в количестве менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора.

Изобретение раскрыто со ссылкой на описанные выше примеры воплощений. После прочтения и понимания данного описания специалисты могут предложить различные модификации и изменения. Подразумевается, что примеры воплощений, включающие один или более аспектов изобретения, включают все такие модификации и изменения в той мере, в какой они попадают в область защиты изобретения, определяемую прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к борным покрытиям для детектирования нейтронов и особенно относится к нанесению борных покрытий для детектирования нейтронов с помощью электростатического напыления. Детектор нейтронов содержит внешнюю оболочку, ограничивающую внутренний объем, по меньшей мере участок стенки, служащий катодом, центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую анодом, борное покрытие на участке стенки, причем борное покрытие нанесено способом электростатического напыления, и электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, собранного центральной конструкцией; при этом борное покрытие включает растворимый остаток, смешанный с бором, в количестве менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора. Технический результат – повышение эффективности детектора нейтронов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Детектор нейтронов, включающий:

внешнюю оболочку, ограничивающую внутренний объем,

по меньшей мере участок стенки, служащий катодом,

центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую анодом,

борное покрытие на участке стенки, причем борное покрытие нанесено способом электростатического напыления, и

электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, собранного центральной конструкцией;

при этом борное покрытие включает растворимый остаток, смешанный с бором, в количестве менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора.

2. Детектор нейтронов по п. 1, в котором участок стенки имеет микроскопические особенности, а борное покрытие соответствует по форме микроскопическим особенностям участка стенки.

3. Детектор нейтронов по п. 2, в котором участок стенки является частью внешней оболочки.

4. Детектор нейтронов по п. 2, в котором толщина борного покрытия составляет от 2 до 5 мкм.

5. Детектор нейтронов по п. 2, в котором толщина борного покрытия составляет от 3 до 4 мкм.

6. Детектор нейтронов по п. 2, в котором минимальное общее содержание бора в борном покрытии составляет приблизительно 97 масс. %, а минимальное отношение изотопа ¹⁰В к общему содержанию бора составляет приблизительно 98 масс. %.

7. Детектор нейтронов по п. 2, в котором внутренний объем включает по меньшей мере один газ.

8. Детектор нейтронов по п. 2, в котором участок стенки представляет собой цилиндр.

9. Детектор нейтронов по п. 2, дополнительно включающий связующее для увеличения сцепления борного покрытия со стенкой.

10. Детектор нейтронов, включающий:

внешнюю оболочку, ограничивающую внутренний объем,

по меньшей мере участок стенки, служащий катодом и имеющий микроскопические особенности,

центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую анодом,

борное покрытие на участке стенки, причем борное покрытие нанесено способом электростатического напыления и борное покрытие соответствует по форме микроскопическим особенностям участка стенки и имеет толщину от 2 до 5 мкм, и

электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, собранного центральной конструкцией;

при этом борное покрытие включает растворимый остаток, смешанный с бором, в количестве менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора.

11. Детектор нейтронов по п. 10, в котором участок стенки является частью внешней оболочки.

12. Детектор нейтронов по п. 10, в котором толщина борного покрытия составляет от 3 до 4 мкм.

13. Детектор нейтронов по п. 10, в котором минимальное общее содержание бора в борном покрытии составляет приблизительно 97 масс. %, а минимальное отношение изотопа ¹⁰В к общему содержанию бора составляет приблизительно 98 масс. %.

14. Способ напыления борного покрытия на поверхность детектора нейтронов, включающий:

обеспечение проводящей поверхности детектора нейтронов, и

электростатическое напыление борсодержащего порошка на проводящую поверхность детектора нейтронов, приводящее к образованию борного покрытия на проводящей поверхности детектора нейтронов;

при этом борное покрытие включает растворимый остаток, смешанный с бором, в количестве менее 7,00×10^-4 г растворимого остатка на 1 г бора.

15. Способ по п. 14, в котором стадия обеспечения проводящей поверхности детектора нейтронов включает обеспечение проводящей поверхности, имеющей микроскопические особенности, расположенные на проводящей поверхности, а стадия электростатического напыления борсодержащего порошка на проводящую поверхность детектора нейтронов приводит к образованию борного покрытия на проводящей поверхности, которое соответствует по форме микроскопическим особенностям, расположенным на проводящей поверхности.

16. Способ по п. 15, дополнительно включающий нанесение связующего на проводящую поверхность.

17. Способ по п. 15, в котором толщина борного покрытия составляет от 2 до 5 мкм.

18. Способ по п. 15, в котором толщина борного покрытия составляет от 3 до 4 мкм.

19. Способ по п. 15, в котором минимальное общее содержание бора в борсодержащем порошке составляет приблизительно 97 масс. %, а минимальное отношение изотопа ¹⁰В к общему содержанию бора составляет приблизительно 98 масс. %.