Эмиссионный детектор для измерения нейтронов и гамма-излучения и способ его изготовления Советский патент 1991 года по МПК G01T1/28 G01T3/00 

Изобретение относится, к эмиссионным детекторам нейтронов и гаммп-излу чения, используемым в атомных реакторах, и к способу их изготовления.

Известен детектор нейтронов, сост.;тоящий из металлического эмиттера, металлического коллектора и разделяющего их электрического изолятора. Не пользование металлического эмиттера указанной конструкции существенно со кращает класс возможных эмиттерных материалов поскольку существует це лый ряд элементов,либо не образующих металлических соёдинениий, либо имею щих в металлическом состоянии высокую химическую активность, но обладающих ценными, с точки зрения детек тирования нейтронов и гамма-квантов ядерно-физическими свойствами. Известен также детектор нейтронов в котором эмиттер выполнен в виде частиц порлшка, которые перемещаны и заключены в электроизолирующую тру ку, которая, в свою очередь, помещена в металлическую оболочку-коллекто Для передачи сигнала детектора во внешнюю схему используется электропроводящая жила, проходящая через порошковый материал .эмиттера. Недостатком такой конструкции является плохой контакт между порогаковьм эмит тером и сигнальной жилой, поскольку порошковые материалы обладают, как правило, диэлектрическими свойствами а также малая ударо- и термопрочность и наличие запазд}лвающих фоновы токов, обусловленных бета- излучением. За прототип принят детектор нейтронов , состоящий из,нейтронно-чувствительного эмиттера, коллектора, окружающего эмиттер, и электрического изолятора между эмиттером и коллектором. Эмиттер состоит из порошка, содержащего рений и тулий, заключенного внутри металлической трубки из циркония или хромоникелевого сплава а электрический контакт между порошковым наполнителем и металлической оболочкой эмиттерасоздается за счет механического контакта. Недостатком этой конструкции является ограниченность в выборе материалов, примененных в качестве порошковых наполнителей эмиттеров и их металли ческих оболочек, Причем применение разнородных металлов для оболочки эмиттера и коллектора создает при нагреве эмиссионных детекторов термические напряжения, способствующие преждевременному разрушению и выходу их из строя. При нагреве таких детекторов могу возникать значительные термр-ЭДС меж ду эмиттером и коллектором, что в случае снижения сопротивления изоляции при высоких температурах может вызвать в детекторе значительдае фоновые токи, отрицательно влияющие на ТОЧНОСТЬ измерений. Применение порошковых наполнителей эмиттеров не обеспечивает достаточного теплового контакта с оболочкой эмиттера и может вызвать местный радиационный пере- грев порошка и выход детектора из строя. Необходимость в электрическом контакте между порошком И оболочкой эмиттера, создаваемом за счет механического контакта, также является недостатком указанной конструкции, т,к, такой контакт невозможно обеспечить в случае применения порошков с диэлектрическими свойствами Известен способ изготовления бета-г эмиссионного детектора нейтронов (БЭДН), в котором в качестве чувствительного элемента Используют готовый кабель с жилой из серебра, а в качестве трассы, передающей сигнал от де- тектора к измерительным приборам, готовый кабель с магнезиальной изоляцией с центральной жилой из стали ОХ18Н10Т. Соединение детектора с кабелем осуществляется сваркой посредством герметичного узла стыковки, содержащего промежуточные стальные втулки и изоляционную втулку из корундовой керамики. При этом за счет стыковки происходит увеличение наружного диаметра БЭДН. Известен способ изготовления БЭЦН без уз;юв стыковки, не из готовых кабелей. При этом берут заготовки центральных жил и сваривают между аобой через третий промежуточнь1Й металлпалладий. Затем на сваренную заготов / ку нанизывают прессованные шашки из окиси магния, устанавливают ее вместе с шашками в трубу из стали 0X18Н1ОТ и проводят волочение по технологии, разработанной для изготовления кабелей с магнезиальной изоляцией. Известен также способ изготовлеиия детекторов нейтронов с эмиттерами из родия, серебра, ванадия, кобальта, платины и др, металлов. Так, например , проволоку из родия помещают в кварцевую трубку-изолятор и все вместе - в стальную оболочку. i Детектор не обладает достаточной , гибкостью, плохо противостоит ударам и вибрации. В качестве трассы ре комендуется использовать кабель марки KHMGC, Соединение с трассой выполняется потребителем. Все рассмотренные способы изготов ления имеют общие существенные признаки:в качестве эмиттера применяют металл в виде Проволоки; эмиттер .устанавливают в герметичную металлическую оболочку-коллектор изолируют эмиттер .от коллектора керамической изоляцией, газовьм или воздушным зазором. Известные способы обладают низкой технологичностью, не позволяют использовать в качестве эмиттера бол шой класс элементов) либо не образующих металлических соединений, либо имеющих в метаплйческом состоянии высокую химическую активность или ни кие технологические свойства (неспособность коваться, прокатываться, свариваться и т.д.) но обладающих; ценными ядерными свойствами и необходимой радиационной стойкостью К таким элементам относятся.; гадолиний эрбий, самарий, европий, диспрозий, тербий, иттербий, уран, торий, иридий, бор, литий, кобальт, кадмий, гафний и др. Из них группа так называемых редкоземельных элементов, а также делящиеся элементы обладают вы сочайщей химической, активностью. Если оценить их химическую активность, например, по изобарному пот.енциалу реакции окисления, то они имеют са1Ф1й высокий отрицательный потенциал из всех известных в природе элемсн- ; тов. Такие элементы активно вза.имодёйсТ.вуют не только с газами (кислородом, азотом, водородом и др.,), но и с любыми элементами и их соединениями, а также с конструкционньши материалами. Промыщленное прои.зводство этих элементов в чистом виде весьма затруднительно, поэтому их получают в виде устойчивых химических соединений. Изготовление оболЬчек и эмиттеров из разнородных металлов создает при нагреве эмиссионных детекторов термические напряжения, способствующие . преждевременному разрушению и выходу их из строя. При нагреве таких эмиссионных детекторов могут возникать значительные термо-ЭДС между эмиттером и коллектором, что в случав снижения сопротивления изоляции при, высоких температурах может вызвать 6 в детекторе значительные фоновые токи. Все это является причинами ограниченного применения многих элементов в качестве эмиттеров в виде мeтaлли lecкиx прутков и жил для кабельных эмиссионных детекторов. Прототипом является известный способ изготовления бета-эмиссионного детектора нейтронов (БЭДН состоящий в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналов путем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллек ора с оболочкой кабеля, т.е, берут за- . готовку эмиттера в виде проволоки или стержня из серебра, устанавливают в трубу-заготовку кабеля, служащую в дальнейшем коллектором, изолируют друг от друга порошкообразной изоляцией, пр.еимущественно из окиси магния, и подвергают многократному волочению с промежуточными отжигами для снятия наклепа. . Прототип не обеспечивает изготовления надежных детекторов с выс.ркими метрологическими характеристика- ми, . Цель изобретения улучшение метрологических характеристик и повышение надежности детекторов . Указанная, цель достигается тем, что в эмиссионном детекторе для измерения энерговыделения, состоящем из эмиттера, электрического изолятора и коллектора, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала коллектора, заполненной порощкообраз-. ным материалом, например, или Ег20з,., , , , ,, . , , Li.jOa, Co 304, HfO, i2, CdO , UjO, ThOj, Co смесью, a в способе изготовили их лейия. состоящем в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналов путем соединения эмиттера с центральной жилой ка:беля., а коллектора - с оболочкой кабеля, берут трубу-заготовку эмиттера, засыпают в нее порошкообразный материал эмиттера, герметизируют по концам, устанавливают ее коаксиально R трубу-заготов ку коллектор.а, изолируют их электроизоляционным материалом, производят протяжку заготовки.детектора до тре- . буемого диаметра, отжигают для снятия наклепа и разрезают полученный кабель на отрезки необходимой длины. Порошкообразный наполнитель препва{)ительно смешивают с изолящионным материалом, преимущественно MgO,

Перечисленные высшые окислы элементов термвдииамически устойчивы в условиях изготовления и эксплуатации, а также в сочетании с любыми конструкционными материалами. Порошок хорошо заполняет любую форму, вместе с оболочкой легко подвергается протяж ке волочением или прокаткой. Выполнение оболочки эмиттера из материала коллектора облегчает, выбор режима термообработки, исключает температурные деформации при изготовлении и эксплуатации, а также исключает возникновение паразитных термотоков. Такая конструкция значительно технологичней и проще в изготовлении.

На чертеже изображён, детектор,

П р и мер.Выли изготовлены образцы детекторов 6-ти типов (см, чертеж.Каждьй образец представляет собой кабель с наружной 1 (коллектор и внутренней 2 оболочками из стали ОХ18Н10Т, отделенными друг от Друга магнезиальной изоляцией.3. Размеры оболочек ЗХ0,3 и 1,5x0,25 мм, наружной и внутренней соответственно. Длина образцов около 9м,

Внутренние оболочки образцов заполнеЩ спресованным порошкообразным 3№iTTepHbiM материалом 4, представляющим собой один из окислов Gd/jOj, HfO, , a также концентрат РЗК-6 no ТУ 48-4-382-76. В качестве эмиттерного материала могут быть.использованы и другие высшие окислы, обладающие ценньши ядерными свойствами,,

Кабель-детектор соединен с кабельтрассой, например, марки КНМСС, того Же диаметра. Стальная жила кабеля 5 приварена к заглушке 6 эмиттера, а коллектор 1 соединен с наружной оболочкой трассы 7 через втулку 8. К про тивоположному концу детектора приварена заглушка 9.

Образцы изготовляли следующим способом.

Один из окислов или редкоземельный концентрат засьтали в трубку 2 из стали ОХ 18Н ЮТ диаметром 5 мм с толщиной стенки 0,5 мм. Затем трубку 2 с наполнителем 4 устанавливали концентрично в заготовку оболочки 1 кабеля диаметром 12 мм с толщиной стен.киО,6 мм, а зазор между ними заполняли магнезйальной изоляцией 3. Длину заготовки выбирали в зависимости от

необходимой конечной длины кабеля от 150 до 1500 мм. Заготовки подвергали многократному циклу волочение-отжиг Гили прокатке) до получения кабеля диаметром 3,0 мм длиной до 9,0 мм

Полученный кабель-детектор соединяли с трассой для передачи .сигнала из кабеля марки КНМСС того же диаметра. Для этого стальную жилу 5 кабеля приваривали к заглушке 6 эмиттера, а коллектор I с наружной оболочкой трассы 7 соединяли сваркой через дополн тельную втулку 8 из той же стали. В месте стыковки зазоры заполняли кварцевой нитью. Противоположный конец детектора заваривался герметично с помощью заглушки 9,

Для получения кабеля с наружным диаметром Меньше 3 мм в отдельных случаях порошкообразньШ материал эмиттера смешивали с окисью магния в соотношении 1:1, Это позволяло повысить деформационную способность кабеля и качество оболочки,

Преимуществом предложенных детекторов является улучшение их метрологических характеристик по сравнению с существующими детекторами:

обеспечение безынерционности сигнала;;

повьшхение точности измерения .за счет исключения термо-ЭДС и вызванных ею фоновых токов, а также за счет уменьшения потока паразитных бетачастиц, вылетающих из эмиттерного материала и погло1щаемь1х оболочкой эмиттера,

Предпоженнь1е детекторы обладают также повьш1енной термостойкостью,, а следовательно, и повышенной надежностью:

за счет исключения термических напряжений, которые всегда возникают в существзтощих детекторах при нагреве, если эмиттер и коллектор изготовлены из разнородных материалов;

за счет снижения радиационйого нагрева порошка, эмиттера вследствие улучшения теплового контакта между порошком и оболочкой эмиттера при уплотнении порошка в процессе волог чения;

за Счет исключения химического взаимодействия между эмиттером и коллектором и между оболочкой эмиттера и порошком эмиттера.

Кроме того, их преимуществом является также расширение технологических

9871646

возможностей за счет использования широкого класса материалов с ценными ядерными свойствами и упрощение техно.лргии их изготовления..

Проведенные исследования, в частности, показали, что реакция детекторов на изменения плотности потока

нейтронов является.мгновенной (практическая безынерционнос,ть по основному токообразующему процессу, а их чувствительность к нейтронам того же порядка, что и у детектора ДПЗ-1 с родиевым эмиттером,

1 . Эмиссионный детектор для, измерения нейтронов и гамма-излучения, состоящий из эмиттера, электрического изолятора и коллектора, о т л и ч а ющ и и с-я тем, что, с целью улучшения метрологических характеристик и повьшения надежности, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала коллектора, и порошкообразного материала, например, изGdgOa или , ЗшгОз, , , , NdjO,, ХГзОз, , LiiO«i, HfO-j, СозОц., CdO, U30g,Th02, Co или их-смеси, 2.Способ изготовления детектора по п. 1, состоящий в том, что к детектору подсоериняют кабель для передачи сигналов путем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора - с оболочкой кабеля, отличающийся тем, что, берут тру(Л бу-заготовку эмиттера, засыпают в нее лорошкообразный материал эмиттера, герметизируют по концам, устанавливают коаксиально в трубу-заготовку коллектора, изолируют их электроизоляциниьн материалом, производят протяжку заготовки детектора до требуемого диаметра, отжигают для снятия наклепа и разрезают полученный кабель о: на отрезки необходимой длины, . Np 3.Способ по п. 2, о т л и ч а ю(3 щ и и с я тем, что порошкообразный наполнитель предварительно смешивают с изоляционным материапом напри-г мер MgQ.

И

X