Изобретение относится к экспериментальной физике, а точнее к регистрации нейтронных излучений детекторами с диэлектрическим или водород- содерлащим рассеивателем. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при измерении временной зависимости плотности потока нейтронов импульсных ядерно-физических установок с ядерным реактором и уско- . рителей.
Целью изобретения является увеличение точности измерений при флюенсах нейтронов менее 3 Юм см 7.
На фиг. 1 изображена схема -зарядового детектора нейтронов с водород- солрржащим рабочим веществом; на
фиг. 2 - амплитудная характеристика зарядового детектора с рабочим веществом из легированного полиэтилена и номограмма для определения частей амплитудной хаоактеоистики в зависимости от толщины рабочего вещества и флюенса нейтронов.
Устройство для регистрации флюенса нейтронов (фиг„ 1) состоит из зарядового детектора, содержащего размещенные в заземленном корпусе 1 электрод 2 и коллектор 3, выполненные в виде пластин из алюминиевой фольги толщиной 0,05-0,1 мм, разделенные между собой слоем k. водородгодержащего рабочего вещества толщиной 0,01-0,1 г/см и изолированные от корпуса 1 слоями
сл
00
сд кэ
диэлектриков, не содержащих атомов водорода, и соединенного с электродом и коллектором регистратора 6, вход которого шунтирован на землю нагрузочными сопротивлениями 7, величина которых не превышает величины внутреннего сопротивления детектора под облучением, В качестве рабочего вещества использован полиэтилен, легированный алюминием, медью, пластиной и т.п., электропроводность которых выше электропроводности полиэтилена без легирующей добавки. Материал легирующей добавки выбирается так, чтобы эффек- тивный атомный номер Z4 рабочего вещества , определенный по формуле
2п./..х;|
где п - число атомов 1-го элемента с атомным номером Z( в единице объема; не превосходил эффективного атомного номера материала электрода- коллектора. Добавку легирующего материала, приготовленного в виде пудры ввели и равномерно распределили по объему расплавленного диэлектрика, который затем прокатали и охладили ме :сду электродами-коллекторами.
Устройство для регистрации флюен- са нейтронов работает следующим образом. При облучении нейтронами заряд протекающий во внешней цепи детектора, складывается из заряда протонов отдачи Q(d), переносимых на коллектор 3, заряда, индуцированного объемным зарядом водородсодержащего рабочего вещества 1 с плотностью распределения qno(x), и заряда, формируемого токами проводимости рабочего вещества . Объемный заряд с плотностью распределения qna(x) удобно представить в виде суммы двух распределенных по объему рабочего вещества зарядов с плотностями распределений q/x) и q,(x), Первый из них возникает а рабочем веществе вблизи границы раздела с не содержащим атомов водорода материалом электрода 2 вследствие переноса протонов отдачи, а второй - во всем объеме рабочего вещества из-за ос лабления потока нейтронов,
ПЛотность тока сквозной проводимости 1„(х, t) водородсодержащего вещества связана в каждый момент време ни t с напряженностью электрического поля Е(х, t) соотношением
In(x, t) &(х, t)E(x, t),
5
O
где(х, t) - сквозная электро пгрод- ность рабочего вещества под облучением а глубине х от поверхности раздели с электродом 2, со стороны которого падает излучение.
Амплитудная характеристика зарядового детектора с толщинами рабочего вещества 0,002, 0,01:, 0,02; 0,05; О, 1 г/см24 рассчитанная с учетом не- оавномерноСти электропроводности по объему рабочего вещества под облучением при соотношении Л/Р 5,У 1СЭ рад , где ц - плотность потока нейтронов; Р-у мощность у -дозы соответствующего гамма-излучения для двух спектров нейтронов с энергией Е„ О8 и 0,917 МэВ (сплошные и штрихпунктирные кривые 8-12 соответственно), показана на фиг. 2.
В начальной части амплитудной характеристики область линейности ничена снизу электрическими токами поляризационной природы, возникающими под действием внутреннего зпекари- ческого поля, созд вмеиого объемным зарядом водородсодержащего рабочего вещества в поле напртвлснчого изпу- чения нейтронов о Величину поляризационных токов рассчитать с удовлетворительной TUUHOCI ио не представляется возможным, так как они зависят от величины начального объемного ззряда рабочего вещества под обпуче Пием Влияние поляризационных токов на величину чувствительности к нейтронам импульсного ядерного рсакюоа изучили экспериментально по отклонению временной зависимости сигнала на переднем фронте импульса от линейной плотности потока нейтронов, Зарядовое состояние в этих измерениях формировали предварительным облучением .дозой порядка 1 10 рад, создаваемой гамма-излучением изотопной кобальтовой установки, или предварительным облучением гамма-нейтронным излучением импульсного ядерного реактора. Результаты измерений обозначены на фиг. 2 кривыми 13 и И соответственное Нижняя граница начальной части амплитудной характеристики обо-, значена вертикальными пунктирными прямыми 15 t t6 соответственно.
Ио результатам расчета зависимости чувствительности зарядового детектора
от флюенса нейтронов К , выраженного
(п)
10
в единицах ЈЈ„/А „ , где ЈЈ„- диэлектрическая проницаемость рабочего вещества; А - коэффициент пропорцйо- , нальности радиационно наведенной составляющей сквозной электропроводности рабочего вещества в условиях равновесия зарядов вторичных частиц плотности потока нейтронов, создаваемых в гамма-нейтронном измерении при условии сохранения составляющих рабочего вещества, построили номограмму 1/ для определения области амплитудной характеристики в зависимости от толщины и характеристик электропроводности А рабочего вещества в детекторе и флюенсе нейтро нов F „ с Ё п 1 ,8 МэВ (сплошная кривая), и Ёп « 0,917 МэВ (пунктирная кривая). Точка пересечения перпендикуляров к осям A(ft° Fn / ЈЈ0 и jvd указывает область амплитудной характеристики. Область 18 названа ранее начальной частью, обная с присутствием протяженных макромолекул и межмолекулярных участков, кристаллических и аморфных ; фаз, сферолитов различных размеров, специальных добавок и наполнителей. Кож дая макромолекула полиэтилена образует нечто подобное кристаллиту с единой зонной структурой, в запрещенной зоне которой находятся локализованные состояния, обусловленные изломами цепей, изолированными двойными свя1- зями, химическими примесями. Хорошо проводящие области сопряженных свя15 зей разделены менее структурированными диэлектрическими прослойками на поверхностях кристаллов, которые при прохождении электрического т-ока через полимер являются барьерными 20 для движения носителей заряда.
Частицы легирующей добавки приготовленного в виде пудры материала с высокой электропроводностью, например алюминия, меди, платины и т.о.
ласть 1ч-оо ластью линейности при вы- 25 введенные в расплавленную полиэтиленовую массу, располагаются между диэлектрическими прослойками на rto-1 верхностях макромолекул и образуют каналы высокой электропроводности
В области 21 при pd {i,06 г/см объ- -30 по цепи частиц. .
При воздействии гамма-нейтронного излучения на водородсодержащий материал гамма-кванты создают равномерную по объему ионизацию рабочего вещест- 35 ва, а энергия, передаваемая нейтронами, распределяется крайне неоднородно, наибольшая плотность приходится на следы протонов отдачи. Электропроводность рабочего вещества 40 внутри стволов треков обусловлена нейтронами, а за пределами треков в основном гамма-излучением. При трековом механизме формирования радиационной электропроводности образование
соком флюенсе. В области 21 чувствительность к нейтронам отклоняется более чем на 5% от величин в начальной масти или при высоком флюенсе.
емный заряд рабочего вещества с плотностью распределения q По(х) не дает заметного вклада в сигнал, обусловленный прямым переносом протонов отдач на коллектор. При-таких толщинах рабочего вещества ч у&ствительность к нейтронам в пределах 5% не зависит от флюенса нейтронов с нижней границы начальной части амплитудной характеристики ,
(п
Величина ЕЈв/А п., характеризующая рабочее вещество е условиях зарядового равновесия протонов отдачи, показывает, в какой области амплитудной характеристики работает детектор при облучении заданным флюенсом нейтронов. Для рабочего вещества из полиэтилена без легирующей добавки под воздействием гамма-нейтронного
45 следов, плотность ионизации в которых на несколько порядков выше, эквивалентно образованию каналов высокой электропроводности, в которых движутся свободные носители заряда, обра- П f U4J IlVXWri I Ъ - 1ПiJlvl S U
излучения с if /Py 5,9 Ю3 см- рад 1,50 зованные под воздействием гамма-излу- t 1,8 МэВ и Ё « 0,917 МэВ спектра
. П ../
нейтронов величины Је„/А nL соотбетчения и протонов отдачи.
В результате переноса протонов
i |junw otjiri iqnDi --Со/гл Y f l ОС I
ственно равны 2,3 -10 14и 3,03 10 14см 2{отдачи под воздействием быстрых нейследовательно, эксплуатация детекторатронов в рабочем веществе возникает
при Кп 3 -10 4 связана с его электрическое поле, которое концентработой в начальной части и нелинейнойрируется в основном, в диэлектричесобласти амплитудной характеристики.«их прослойках и электрическое напряПолимерному состоянию веществажение падает, главным образом на баприсуща микрогетерогенность, связан- рьерах, препятствующих движению сво0
ная с присутствием протяженных макромолекул и межмолекулярных участков, кристаллических и аморфных ; фаз, сферолитов различных размеров, специальных добавок и наполнителей. Кож дая макромолекула полиэтилена образует нечто подобное кристаллиту с единой зонной структурой, в запрещенной зоне которой находятся локализованные состояния, обусловленные изломами цепей, изолированными двойными свя1- зями, химическими примесями. Хорошо проводящие области сопряженных свя5 зей разделены менее структурированными диэлектрическими прослойками на поверхностях кристаллов, которые при прохождении электрического т-ока через полимер являются барьерными для движения носителей заряда.
Частицы легирующей добавки приготовленного в виде пудры материала с высокой электропроводностью, например алюминия, меди, платины и т.о.
45 следов, плотность ионизации в которых на несколько порядков выше, эквивалентно образованию каналов высокой электропроводности, в которых движутся свободные носители заряда, обра П f U4J IlVXWri I Ъ - 1ПiJlvl S U
50 зованные под воздействием гамма-излу-
зованные под воздействием гамма-из
чения и протонов отдачи.
В результате переноса протонов
отдачи под воздействием быстрых н
бодных Носителей заряда. Ввиду того, что средняя длина пробега протонов отдачи превышает эффективные разме ры макромолекул и частиц легирующей добавки, часть протонов отдачи попадает в частицы легирующей добавки И образует протяженные каналы высокой электропроводности вдоль треков -про™
нами спектра деления около 05С1 -/см2), добавку легирующего материала с высокой электропроводностью достаточно ввести на глубину не превышающую средней длины пробегов протонов отдачи.
Предложенное техническое решение
тонов отдачи и -цепи частиц легирующей Q по сравнению с известными позволяет
15
добавки, по которым снимается 3|Эряд, образующийся в макромолекулах из-за переноса протонов отдачи.
Заряд, образованный переносом протонов отдачи в сопряженных с частицами легирующей добавки макромолекул, создает высокую напряженность электрического поля, которое пробивает диэлектрическую прослойку, разделяющую макромолекулу с частицей легирующей 20 добавки, и по каналу высокой электропроводности цепи частиц легирующей добавки также стекает с макромолекул,
Таким образом, введение в полиэтиленовый диэлектрмк добавки материала, 25 электропроводность которого выше электропроводности нелегированного полиэтилена, увеличивает радиационную электропроводность рабочего вещества по равнению с полиэтиленовым диэлект-30 риком без легирующей добавки. Увеличение радиационной электропроводности или уменьшение величины ЈЈ„ /А( рабочего вещества означает9 что ли-: нейная область при высоком флюейсе начинается с Fn 3 -10 мем-г .
При высоком флюенсе нейтронов чувствительность к гамма-излучению определяется только прямым переносом быстрых электронов между материалом 40 рабочего вещества и электродом коллектора, а при выравнивании эффективных атомных номеров путем добавления легирующей добавки величина чувствительности к гамма-излучению уменьшает-45 ей более чем в 10 раз по сравнению с величиной в начальной части амплитудной характеристики,,
Формирование объемного заряда вбли35
увеличить точность регистрации нейт ронов на ii-10% в зависимости от кон структивных особенностей детектора (выбранных материалов и толщины раб чего вещества) и практически полнос тью устранить сигнал сопутствующег гамма-излучения при воздействии им- пульсного гамма-нейтронного излучен с %/Ру 5,9 -10 э рад при фл енсе нейтронов ниже . Кро того, предложенное техническое реше ние позволяет расширить линейную область амплитудной характеристики при высоком флюенсе и распространить ее от флюенса, на один - два п рядка меньшего величины 3 10 4см 2, до флюенса, соответствующего предел радиационной стойкости детектора.
Формула изобретени
зи границы раздела водородсодержащего JQ легирующей-добавки соответственно рабочего вещества с материалом электрода, не содержащим «ггомов водорода, связано с переносом протонов отдачи под воздействием быстрых нейтронов. Следовательно, при использовании детектора г, рабочим веществом толщиной, большей средней длины пробегов протонов отдачи (средняя длина пробегов протонов отдачи при облучении нейтро55
равен эффективному атомному номеру материала коллектора и меньше сред ней длины пробегов вторичного иони зирующего излучения.
Q по сравнению с известными позволяет
5
202530
40 45
35
увеличить точность регистрации нейтронов на ii-10% в зависимости от конструктивных особенностей детектора (выбранных материалов и толщины рабочего вещества) и практически полностью устранить сигнал сопутствующего . гамма-излучения при воздействии им- ,. пульсного гамма-нейтронного излучения с %/Ру 5,9 -10 э рад при флюенсе нейтронов ниже . Кроме того, предложенное техническое решение позволяет расширить линейную область амплитудной характеристики при высоком флюенсе и распространить ее от флюенса, на один - два порядка меньшего величины 3 10 4см 2, до флюенса, соответствующего пределу радиационной стойкости детектора.
Формула изобретений
легирующей-добавки соответственно
равен эффективному атомному номеру материала коллектора и меньше средней длины пробегов вторичного ионизирующего излучения.
У/Ж/////// П 7/
ЖШ2
Ws 10 IB 3 W,- IB 1 3° ,rj 13 Л7г
/////// П 7/
/ / гт
/ ..
У
& /V
