УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ Советский патент 1994 года по МПК G01T3/02 

Изобретение относится к прикладной ядерной физике и касается регистрации нейтронов. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для определения плотности потока быстрых нейтронов в присутствии тепловых токовыми беспороговыми детекторами, работающими при высоких потенциалах на электродах, например вакуумными камерами деления (ВКД) с радиаторами ²³⁵ U, ²³⁹ Pu и т. д.

Известно устройство для регистрации быстрых нейтронов, состоящее из детектора, размещенного в центре шарообразного экрана, выполненного из боросодержащего материала, в виде двух разъемных полушарий.

Недостатком этого устройства является то, что оно не предусматривает использования активных детекторов, так как в нем отсутствуют электрические вводы в экран.

Известно также устройство для регистрации нейтронов с активным детектором, состоящее из детектора, заключенного в разъемный экран, выполненный в виде двух коаксиальных металлических стаканов, пространство между которыми заполнено боросодержащим веществом. При этом в торцовой части экрана предусмотрено отверстие элеметрического ввода для прокладки кабелей.

Недостатком этого устройства для регистрации нейтронов является то, что тепловые нейтроны свободно проникают внутрь экрана к детектору через отверстие в экране. Такое натекание тепловых нейтронов, имеющих значительно большее по сравнению с быстрыми нейтронами сечение взаимодействия с нейтроночувствительным радиатором детектора, выполненным, например из ²³⁵ U, ²³⁹ Pu и т. д. , может приводить к значительному искажению сигнала детектора от быстрых нейтронов.

Действительно, пусть сигнал от тепловых нейтронов R вакуумной камеры деления (ВКД) с радиатором ²³⁵ U, длина которой 215, а диаметр 30 мм. Обозначим сигнал того же детектора, размещенного в вышеописанном экране длиной 230 мм, символом δ R. Положим, что толщина экрана достаточна для поглощения всех тепловых нейтронов, проникающих через боросодержащее вещество. Положим также, что тепловые нейтроны имеют равновероятное распределение по направлениям распространения. Из геометрических соображений можно рассчитать δR/R≈ osθsinθdθ= 1,6·10^-2, где S_отв, S_д - площади отверстия в экране и поверхности чувствительного объема детектора соответственно.

Пусть теперь экран оптимизирован таким образом, что в нем оставлены отверстия диаметром d = 4 мм, т. е. равным диаметру кабеля. Толщина экрана l = 20 мм. При этом .

Ввиду того, что кабель состоит из оплетки и сигнального провода, разделенных полиэтиленовой изоляцией, натекание тепловых нейтронов внутрь экрана может происходить, главным образом, по полиэтиленовой изоляции электрического ввода. Положим длину релаксации тепловых нейтронов в полиэтилене λ = 2,5 мм. Ввиду того, что она сравнима с d и λ< < l будем считать, что нейтроны, рассеянные на ядрах вещества полиэтилена, поглощаются в веществе экрана. Из этих предположений относительный сигнал детектора от тепловых нейтронов определяется по формуле
_≈2, где Ψ = arctg, E₂(x)= x(l^-t/t)dt
Таким образом, данное устройство с ВКД типа КНВ-1 позволяет уменьшить сигнал от тепловых нейтронов не более, чем в 10⁹ раз.

Из известных устройств наиболее близким по своей технической сущности является устройство для регистрации нейтронов, содержащее экран, состоящий из боросодержащего корпуса и узла электрического ввода, выполненного в виде вмонтированного в материал корпуса змееобразного проводника, и размещенный в экране детектор нейтронов.

Недостатком известного устройства является низкая точность регистрации нейтронов при использовании в нем низкочувствительных токовых детекторов, работающих при высоких потенциалах на электродах, например ВКД, обусловленная высокой величиной токов проводимости боросодержащего вещества экрана, возникающих между высоковольтным и сигнальным электрическими вводами.

Действительно, пусть боросодержащий слой, удельное сопротивление которого ρ_v, пронизан двумя проводниками, диаметр которых d = 0,1 см, а длина в слое l = 4 см. Расстояние между проводниками h = 1 см. Пусть потенциал одного проводника ϕ, а другого (сигнального) ϕ_o= 0. Известно, что напряженность электрического поля Е пропорциональна 1/r, где r - расстояние от оси проводника. Следовательно, можно записать соотношение
E= , (1) где k = cоnst. Учитывая, что d << h, получим
ϕ₁-ϕ_o= dn= ln n/d . (2)
Подставляя выражение для k_из (2) в (1), получим выражение для напряженности электрического поля Eh вблизи второго проводника:
.

Учитывая далее, что плотность электрического тока равна Eh/ ρ_v, а полная площадь, с которой электрический ток попадает в сигнальный проводник, равна ld, получим выражение для электрического тока I_o, протекающего между проводниками:
I₀= .

Известно, что для бора кристаллического ρ_v≈ 10⁶ Ом˙ см, следовательно, при отсутствии излучения в цепь сигнального электрода ВКД, в которой ϕ₁-ϕ_o= 10³В, будет проникать ток I_o ≈ 2 ˙10^-4 А. Однако темновой ток детектора не превосходит 2˙ 10^-12 А, a чувствительность к быстрым нейтроном порядка 10^-20 Кл˙ см²/нейтр. Отсюда следует невозможность использования этого устройства с ВКД на всех существующих реакторах. Другие соединения бора, такие, как карбид бора и т. п. , тоже не являются диэлектриками. Использование боросодержащего вещества в виде смесей бора, например, с эпоксидной смолой также не устраняет полностью этого недостатка даже при изготовлении смеси с ρ_v ≈10¹⁴ Ом ˙см, т. е. приблизительно равным удельному сопротивлению эпоксидной смолы. В этом случае I_o≈2 ˙10^-12 А, т. е. сравним с темновым током ВКД. В этом случае снижается точность регистрации плотности потока быстрых нейтронов в диапазоне (10⁸ - 10⁹) нейтр/(см² ˙с), а при высоких плотностях потока нейтронов изменение проводимости боросодержащей смеси снижает надежность регистрации сигнала детектора.

С другой стороны, для достижения удельного сопротивления смеси порошка бора с диэлектрическим компаундом, близкого к величине удельного сопротивления компаунда, последнего необходимо брать от 40 до 80% объема смеси. Это приводит, во-первых, к увеличению объема экрана (при сохранении его толщины по бору), во-вторых, к ухудшению его экранирующих свойств по отношению к тепловым нейтронам, в-третьих, такой экран будет искажать поток быстрых нейтронов.

Целью изобретения является увеличение точности регистрации быстрых нейтронов путем устранения токов проводимости при сохранении высокой степени экранирования тепловых нейтронов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регистрации нейтронов, содержащем экран, состоящий из боросодержащего корпуса и узла электрического ввода, выполненного в виде вмонтированного в материал корпуса змееобразного проводника, и размещенный в экране детектор нейтронов, змееобразный проводник узла электрического ввода окружен последовательно диэлектрической и заземленной проводящей оболочками, причем материал змееобразного проводника и проводящей оболочки выбран с показателем преломления нейтронов, не меньшим показателя преломления диэлектрической оболочки, кроме того, в материал проводящей оболочки введены добавки элементов, эффективно поглощающих тепловые нейтроны.

Такое конструктивное выполнение устройства для регистрации нейтронов позволяет увеличить точность регистрации быстрых нейтронов путем исключения влияния тока проводимости боросодержащего вещества экрана на сигнал детектора и сохранить высокую степень экранирования тепловых нейтронов за счет минимизации вероятности их проникновения внутрь экрана по электрическому вводу.

На фиг. 1 схематически изображено устройство; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сигналы устройства с детектором типа ВКД и этого детектора без боросодержащего экрана.

Устройство для регистрации нейтронов имеет детектор нейтронов 1, размещенного внутри разъемного экрана 2, выполненного из боросодержащего материала в виде цилиндра с полостью внутри (фиг. 1). В одну из частей экрана вмонтированы электрические вводы 3, состоящие из змееобразного проводника 4, изготовленного из эффективно поглощающего тепловые нейтроны материала, окруженного последовательно диэлектрической оболочкой 5, выполненной из полиэтилена, и заземленной проводящей оболочкой 6. Змееобразный проводник 4 и проводящая оболочка 6 выполнены из сплава, показатель преломления нейтронов которого не меньше показателя преломления диэлектрической оболочки 5, например Ni - Mn - сплава, в котором Mn составляет не менее 73% , а Ni - не более 27% , по массе или ²³⁵ U - Ti - сплава, обладающего аналогичными свойствами и одновременно содержащего элемент, эффективно поглощающий тепловые нейтроны. Змееобразный проводник 4 электрически соединен с сигнальным электродом, а заземленная проводящая оболочка 6 - с корпусом детектора.

Устройство работает следующим образом.

Ввиду того, что проводник 4, соединенный с сигнальным электродом детектора, окружен последовательно диэлектрической оболочкой 5 и экранирующей электрическое поле проводящей оболочкой 6, токов проводимости диэлектрика, сопряженного с проводником 4, под действием внешнего электрического поля не возникает.

По отношению к нейтронам экран сохраняет высокую степень экранирования тепловых нейтронов. Действительно, в то время, как быстрые нейтроны практически без искажения проникают внутрь экрана и регистрируются детектором, тепловые нейтроны ввиду высокой величины сечения взаимодействия поглощаются в боросодержащем веществе корпуса.

Часть тепловых нейтронов, распространяющихся в направлении детектора по электрическому вводу 3, поглощается в боросодержащем веществе экрана за счет того, что электрический ввод изогнут так, что прямое прохождение нейтронов к детектору вдоль него исключено. Степень экранирования этих нейтронов может быть увеличена путем увеличения числа изгибов, так как при этом уменьшается вероятность распространения тепловых нейтронов по материалу диэлектрической оболочки 5, связанная с многократным рассеянием в пределах определенного телесного угла в изгибах.

Ввиду того, что материал проводящей оболочки 6 и змееобразного проводника 4 выбран с показателем преломления нейтронов, не меньшим показателя преломления изолирующей оболочки 5, для тепловых нейтронов, пересекающих границу раздела диэлектрической оболочки, змееобразного проводника и проводящей оболочки со стороны диэлектрической оболочки, не существует критического угла полного отражения, т. е. исключена вероятность изменения направления распространения тепловых нейтронов внутри материала диэлектрической оболочки за счет полного внутреннего отражения от границы раздела.

Тепловые нейтроны, распространяющиеся по материалу змееобразного проводника 4 и проводящей оболочки 6, эффективно поглощаются введенными в состав материала добавками элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов.

Подбор материалов осуществляется следующим образом. Известно, что для нейтронов показатель преломления вещества вычисляется по формуле
n²= 1- N_iB_ci, где λ - длина волны нейтронов;
N_i - число атомов i-го элемента в единице объема вещества;
В_ci - амплитуда когерентного рассеяния нейтронов для i-го элемента вещества. Отсюда следует, что составы материалов проводника 4 и проводящей оболочки 5 рассчитываются по формуле
N_ib_ci≅ N_jb_cj, где N_i, N_j - число атомов i-го элемента материала проводника и проводящей оболочки и j-го элемента материала диэлектрической оболочки соответственно в единице объема каждого материала;
b_i, b_j - когерентная амплитуда рассеяния нейтронов для i-го элемента материала проводника и проводящей оболочки и j-го элемента материала диэлектрической оболочки соответственно.

На фиг. 3 изображены сигналы 7 и 8 устройства с детектором типа вакуумная камера деления с радиатором ²³⁵U и этого детектора без борного экрана соответственно. Из представленных данных видно, что предложенное устройство позволяет сохранить высокую степень экранирования тепловых нейтронов.

Устройство позволяет также увеличить точность регистрации быстрых нейтронов при плотности потока (10⁸ - 10⁹) нейтр/(см² ˙с) не менее, чем на (10 - 50)% за счет устранения влияния тока проводимости боросодержащего вещества экрана на сигнал детектора вакуумной камеры деления. (56) Hurst G. S. Harter T. A. Hensky P. N. et al "Tecnigues of measuring. neutron spectra with threshold detectorstissu dose determination "The Rewiew Sci Instr 1956, 27, 3 р. 153 - 156.

Спектрометр нейтронов СЭН-2-02 ЖЩ 4.848.006 сп, паспорт.

Авторское свидетельство СССР N 858446, кл. G 01 T 3/02, 1981.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ, содержащее экран, состоящий из боросодержащего корпуса и узла электрического ввода, выполненного в виде вмонтированного в материал корпуса змееобразного проводника, и размещенный в экране детектор нейтронов, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности регистрации быстрых нейтронов путем устранения токов проводимости при сохранении высокой степени экранирования тепловых нейтронов, змееобразный проводник узла электрического ввода окружен последовательно диэлектрической и заземленной проводящей оболочками, причем материал змееобразного проводника проводящей оболочки выбран с показателем преломления нейтронов, не меньшим показателя преломления диэлектрической оболочки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в материал проводящей оболочки введены добавки элементов, эффективно поглощающих тепловые нейтроны.