БЛОК ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01T1/16 H01J47/00 

Изобретение относится к области технической физики, а точнее - к области регистрации фотонного излучения. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при изготовлении и применении узлов, блоков детекторов, каналов для измерения мощности фотонного излучения в реакторах, критических сборках, электроядерных установках и тормозного излучения в ускорителях заряженных частиц.

Известна газонаполненная ионизационная камера КГК-2, содержащая систему электродов, разделенных газонаполненным межэлектродным промежутком (см., например, Кошелев А.С., Довбыш Л.Е., Хоружий В.Х., Чукляев С.В. Детектор мощности гамма-излучения типа КГК-2 для диагностики полей излучений ядерных реакторов в диапазоне от 1 мкГр/с до 100 Гр/с. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов. 2012. Вып. 3. С. 43-50).

Работа газонаполненной ионизационной камеры основана на измерении электрического тока, возникающего в результате ионизации газа в межэлектродном промежутке быстрых вторичными электронами, вылетающих из материала электродной системы под воздействием фотонного излучения.

Недостатком этого детектора является ограничение линейного электрического тока объемным зарядом, создаваемым в межэлектродном промежутке ионами газа, возникающими под воздействием фотонного излучения.

Известен вторично-эмиссионный детектор (ВЭД) фотонного излучения на основе вакуумной камеры, содержащий заключенную в герметичном корпусе систему электродов, разделенных вакуумированным межэлектродным промежутком (см., например, Чукляев С.В., Довбыш Л.Е., Кошелев А.С. Вакуумные камеры деления и вторично-эмиссионные детекторы - эффективный инструмент измерения характеристик γ- и нейтронного излучения интенсивных источников. Атомная энергия. 2010. Том 108. Вып. 6. С. 347-352).

Работа ВЭД основана на измерении электрического тока медленных вторичных электронов, выходящих с поверхности электродов под воздействием фотонного излучения.

Недостатком является низкая чувствительность к фотонному излучению по сравнению с газонаполненной конструкцией.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что блок детекторов для измерения фотонного излучения, содержащий разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, дополнительно содержит разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, при этом чувствительность к фотонному излучению газонаполненной электродной системы превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем, а предназначенные для соединения с источником электрического напряжения питания электроды электрически соединены межу собой.

Предложенное устройство удовлетворяет критерию изобретения «новизна» и «изобретательский уровень» несмотря на известность некоторых использованных признаков, так как совокупность изложенных признаков позволяет существенно расширить линейный диапазон измерений мощности фотонного излучения за счет установленного соотношения между характеристиками вакуумированной и газонаполненной электродными системами ионизационных камер.

Ниже изложен пример конкретного выполнения устройства со ссылками на прилагаемые чертежи и таблицы, на которых

Фиг. 1 изображает схему блока ионизационных камер по п. 1 формулы.

Фиг. 2 изображает схему блока ионизационных камер по п. 2 формулы.

Фиг. 3 изображает схему устройства вакуумной камеры типа ВЭД.

Фиг. 4 изображает электродную систему и внешний вид камеры газонаполненной компенсированной типа КГК.

Фиг. 5 изображает зависимость электрического тока вакуумированной и газонаполненной электродных систем от мощности поглощенной дозы фотонного излучения.

Таблица 1 представляет основные характеристики ВЭД-2 и камеры КГК-2.

Блок детекторов 1 (фиг. 1) содержит разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком 2 систему двух электродов 3 и 4, один из которых 3 предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания 5, и разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком 6 систему двух электродов 7 и 8, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания 5, при этом чувствительность к фотонному излучению газонаполненной электродной системы превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более, чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем, а предназначенные для соединения с источником электрического напряжения питания электроды электрически соединены межу собой (фиг. 2). Изоляция электродов от корпуса 1 осуществляется посредством электрических вводов 9.

В состав блока могут входить вторично-эмиссионный детектор типа ВЭД и газонаполненная ионизационная камера типа КГК.

Вторично-эмиссионный детектор ВЭД-2 представляет систему двух электродов 10, размещенных в цилиндрическом корпусе 11 из нержавеющей стали аустенитного класса (фиг. 3). Толщина стенки корпуса 0,8 мм, внешний диаметр 50 мм. Каждый электрод содержит набор элементов, изготовленных в форме сегментов сферической поверхности, и соединены между собой тремя металлическими рейками 12. Элементы получены формовкой в сферической матрице радиусом 55 мм плоских заготовок - дисков из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 44 и толщиной около 0,35 мм с вырезами для прокладки несущих реек и выступами, которые при сборке электродной системы заведены в отверстия этих реек, загнуты и скреплены с последними электросваркой. Отверстия в рейках изготовлены так, что каждый элемент сигнального электрода оказывается размещенным между элементами высоковольтного электрода, предназначенным для соединения с внешним источником электрического напряжения питания. Расстояние между поверхностями соседних элементов разноименных электродов 1,0-1,6 мм не превышает высоты сегментной поверхности. Такая конфигурация электродной системы обеспечивает электронное равновесие в чувствительном объеме детектора независимо от направления распространения фотонов. Рейки разноименных электродов опираются на изоляторы 13 из высокоглиноземистой керамики. Одна из реек каждого электрода соединена токоведущим проводником с отдельным электрическим выводом 14, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным в крышку корпуса.

Детектор вакуумирован при температуре 650 К. Давление остаточных газов в отпаянной конструкции не превышает 1⋅10^-3 Па.

Электроды детектора соединены с внешним источником электрического напряжения питания посредством кабельной вставки 15 из кабеля марки КТГВО-0,5 с радиочастотными разъемами 16 марки СР-75-154ФВ.

Камера КГК-2 (фиг. 4) представляет систему электродов 10, размещенных в цилиндрическом корпусе 11 из нержавеющей стали аустенитного класса. Толщина стенки корпуса 0,8 мм, внешний диаметр 50 мм. Каждый электрод содержит набор дисков из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 44 и толщиной около 0,35 мм с вырезами для прокладки несущих реек и выступами, которые при сборке электродной системы заведены в отверстия этих реек, загнуты и скреплены с последними электросваркой. Отверстия в рейках изготовлены так, что каждый диск сигнального электрода оказывается размещенным между дисками высоковольтных электродов. Расстояние между поверхностями соседних элементов разноименных электродов 1,6 мм. Рейки разноименных электродов опираются на изоляторы 13 из высокоглиноземистой керамики. Одна из реек каждого электрода соединена токоведущим проводником с отдельным электрическим вводом 14, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным, в крышку корпуса. Детектор после отжига в вакуумной печи заполнен газовой смесью на основе аргона. Давление газа в отпаянной конструкции составляет 0,45 МПа.

Основные характеристики ВЭД-2 и КГК-2 приведены в таблице.

Устройство работает следующим образом. При создании внешним источником 5 электрического напряжения питания на один из электродов вакуумированной и газонаполненной конструкций в межэлектродных промежутках возникают электрические токи. Значения электрических токов вакуумированной I_ν и газонаполненной I_g конструкций под воздействием внешнего фотонного излучения связано с мощностью дозы P_γ соотношениями

I_ν=I_γν+I_фν=K_γνP_γ+I_фν,

I_g=I_γg+I_фg=K_γgP_γ+I_фg,

где I_γν, I_γg - электрические токи, возникающие в вакуумированной и газонаполненной конструкциях соответственно под воздействием фотонного излучения, K_γν, I_фν - чувствительность к фотонам и собственный фоновый ток вакуумированной конструкции при отсутствии внешнего облучения соответственно, K_γg, I_фg - чувствительность к фотонам и собственный фоновый ток газонаполненной конструкции при отсутствии внешнего облучения соответственно.

Нагрузочные характеристики вакуумированной 17 и газонаполненной 18 конструкций показаны на фиг. 5. Линейный участок нагрузочной характеристики при низкой мощности фотонного излучения ограничен собственным фоновым током. При отсутствии радиоактивных нуклидов и загрязнений в камерах I_фg=I_фν=I_ф≤1⋅10^-12 А. Минимальные значения мощности дозы P_γ1 и P_γ2, при которых относительное отклонение электрических токов в газонаполненной и вакуумированной конструкций от линейных не превышает δ, определяются соотношениями

P_γ1=I_ф/δK_γg и P_γ2=I_ф/δK_γν.

Максимальный линейный ток в газонаполненной конструкций ограничен объемным зарядом, создаваемым ионами газа в межэлектродном промежутке. Максимальное значение мощности дозы P_γ3, при которой относительное отклонение электрического тока в газонаполненной конструкций от линейной не превышает δ, значения P_γ1 и P_γ2 обозначены на фиг. 5 при условии, что значение δ=0,05.

Когда линейные участки нагрузочных характеристик газонаполненной и вакуумированной конструкций пересекаются, то можно записать соотношение

P_γ1≤P_γ2≤P_γ3.

Из этого соотношения следует

P_γ1/P_γ3=1/D≤P_γ2/P_γ3≤1/χ,

1≤P_γ2/P_γ1≤D/χ,

где D=P_γ3/P_γ1 - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем. Учитывая соотношения между минимальными значениями мощности дозы, можно записать

K_γν≤K_γg≤(D/χ)K_γν.

В условиях выполнения соотношения Брэгга - Грея и полного собирания носителей заряда электрические токи в вакуумированной I_γν и газонаполненной I_γg элетродных системах связаны с мощность дозы фотонного излучения, поглощенной в вакуумированной P_γν и газонаполненной P_γg электродных системах, соотношениями

I_γν=e⋅κ⋅S⋅P_γν; ,

где e - заряд электрона; κ, S - эмиссионная способность материала и площадь электрода-эмитера соответственно; ƒ - отношение массовой тормозной способности материала электродной системы и газа в газонаполненной кострукции; w_i, ρ, V - средняя энергия образования ионов, плотность газа и чувствительный объем в газонаполненной конструкции. (1 Гр = 1 Дж/кг; 1 эВ = 1,60⋅10^-19 Дж).

Когда ослабление потока фотонов стенкой корпуса вакуумированной и газонаполненной конструкциями одинаково, то P_γν=P_γg и отношение I_γν/I_γg~ƒ. Значение ƒ аргона и стали не зависит от энергии фотонного излучения. Следовательно, энергетические чувствительности вакуумированной и газонаполненной электродных систем, изготовленных из одного и того же материала, совпадают.

Предложенное техническое решение позволяет измерять мощность фотонного излучения в реакторах, критических сборках, радиационных установках с изотопными источниками, ускорителях заряженных частиц и электроядерных установках в интервале от 1 мкГр/с до 1⋅10⁹ Гр/с при энергии фотонов в интервале от 0,1 до 15 МэВ.

Изобретение относится к области регистрации фотонного излучения и касается блока детекторов для измерения фотонного излучения. Блок детекторов содержит первую разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, и вторую разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания. Чувствительность к фотонному излучению газонаполненной системы электродов превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем. Технический результат заключается в расширении линейного диапазона измерения мощности излучения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Блок детекторов для измерения фотонного излучения, содержащий разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, отличающийся тем, что блок дополнительно содержит разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, при этом чувствительность к фотонному излучению газонаполненной системы электродов превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем.

2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что предназначенные для соединения с источником электрического напряжения питания электроды электрически соединены между собой.