НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР
NEUTRON DETECTOR

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок, и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов, подкритических сборок, импульсных и других источников нейтронов, в научных исследованиях.
Известен детектор нейтронов, включающий корпус, резистивный элемент, способный к делению и присоединенный к измерительной цепи при помощи электродов, снабженный двумя компенсаторами, заключенными в электропроводящую оболочку, и изолирующей втулкой, в которой размещены компенсаторы и резистивный элемент, причем последний расположен между компенсаторами, электроды размещены на его торцовых поверхностях, при этом резистивный элемент и компенсаторы выполнены в виде таблеток одного диаметра из керамики. Патент Российской Федерации №1526403, МПК: G01T 3/00, 1997 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов, низкий уровень генерируемого электрического сигнала, низкая помехозащищенность к электромагнитным наводкам, отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов.
Известен детектор нейтронов, включающий корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой и делящимся материалом, и фотоприемник. В одном из торцов корпуса размещен волоконный световод, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром, при этом делящийся материал выполнен в виде слоя и нанесен на боковую поверхность корпуса. Полезная модель Российской Федерации №30008, МПК: G01T 1/16, 2003 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов; энергозависимость.
Известен детектор нейтронов, содержащий чувствительный элемент из материала, в состав которого входит делящийся под действием нейтронов материал, и энергонезависимый преобразователь энергии с электрическим выходом, в котором чувствительный элемент выполнен из материала с эффектом памяти формы, энергонезависимый преобразователь включает два одинаковых пьезоэлектрических генератора, включенных электрически параллельно встречно, при этом чувствительный элемент установлен с возможностью взаимодействия с указанными генераторами в процессе формовосстановления при превышении потоком нейтронов критического уровня через дополнительно введенный упругий элемент, механически связанный с чувствительным элементом и размещенный с зазорами между пьезоэлектрическими генераторами. Патент Российской Федерации №2332689, МПК: G01T 3/00, 2008 г. Прототип.
Недостатками прототипа являются: использование делящегося вещества; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; невозможность многократного использования и изменения порога срабатывания без замены чувствительного элемента и пористого держателя; ограниченное быстродействие; невозможность измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; сложность изготовления и большое количество конструктивных элементов.
Задачей изобретения является: исключение из конструкции делящегося вещества; создание энергонезависимого нейтронного датчика, менее чувствительного к фоновым излучениям и электромагнитным наводкам; обеспечение неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания; измерение временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы.
Техническим результатом является: исключение делящегося вещества; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы; повышение помехозащищенности, достоверности измерений и надежности детектора нейтронов; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение оптическими средствами требуемого порога срабатывания при запуске регистрирующей аппаратуры; обеспечение многократности использования; упрощение технической реализации.
Технический результат достигается тем, что в нейтронном датчике, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругий элемент, источник заряженных частиц выполнен из стабильного нерадиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц, установлен поглотитель заряженных частиц, упругий элемент выполнен в виде волоконно-оптического датчика механического растяжения с встроенной брэгговской дифракционной решеткой, закрепленного одним из своих концов на поглотителе или/и источнике заряженных частиц.
Сущность изобретения поясняется на фигурах 1 и 2.
На фиг.1 схематически изображено устройство датчика, где: 1 - корпус датчика, 2 - упругий элемент в виде, по крайней мере, одного волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой, 3 - поглотитель заряженных частиц, 4 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения.
На фиг.2 приведена одна из возможных блок-схем измерения сигнала с волоконно-оптического датчика, где: 2 - волоконно-оптический датчик механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой, 5 - оптический разветвитель, 6 - спектрально-чувствительный элемент, 7 - источник света (светодиод), 8 - фотоприемник (фотодиод), 9 - волоконно-оптический световод.
Нейтронный датчик работает следующим образом.
Нейтроны, попадающие в материал источника заряженных частиц 4, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, часть из которых выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3. Источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Между ними возникает сила электрического притяжения, которая растет по мере увеличения заряда.
Источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 растягивают волоконно-оптический датчик механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2 и изменяют резонансную длину волны брэгговской решетки тем больше, чем больше величина накопленного заряда.
Измерение резонансной длины волны волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2 в соответствии с блок-схемой (фиг.2) происходит путем сравнения длины волны, отраженного от дифракционной решетки излучения, с резонансной частотой перестраиваемого спектрально-чувствительного элемента 6. Излучение диода 7 вводят в волоконный световод 9 и через разветвитель 5 передают на оптическое волокно волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2. При этом часть излучения отражается в обратном направлении от встроенной брэгговской дифракционной решетки в узком диапазоне длин волн, возвращается обратно и через разветвитель 5 попадает в спектрально-чувствительный элемент 6. Выходящий из него сигнал регистрирует фотоприемник 8.
Сигнал принимает минимальное значение при совпадении резонансных длин волн спектрально-чувствительного элемента 6 и волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2.
BG
Резонансная длина волны брэгговской решетки λ волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2 зависит от приложенного к нему механического растягивающего напряжения ε в соответствии с уравнением (1). Кострицкий С.М., Дикевич А.А., Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., «Сенсоры физических величин на основе волоконных и интегральных нанофотонных волноводов», Сборник тезисов секционных докладов, стендовых докладов и докладов участников конкурса научных работ молодых ученых Международного форума по нанотехнологиям Rusnanotech'08:
ij
где ΔТ - изменение температуры, ε - приложенное механическое напряжение, P - коэффициенты упруго-оптического тензора, ν - коэффициент Пуассона, α - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, n - эффективный показатель преломления для основной моды светового излучения, распространяющегося по световоду.
При использовании волоконно-оптических датчиков специальной конструкции их температурная чувствительность может быть сведена к минимуму.
Механическое напряжение ε определяют величиной накопленного заряда в соответствии с выражением (2).
0
F - сила кулоновского притяжения источника и поглотителя друг к другу, Q - заряд, накопленный поглотителем заряженных частиц 3 или источником заряженных частиц 4, ε - электрическая постоянная, S - площадь наименьшего по площади элемента: источника заряженных частиц 4 или поглотителя заряженных частиц 3, s - площадь поперечного сечения волокна.
BG
Из (1) и (2) следует, что изменение резонансной длины волны брэгговской решетки Δλ датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2 пропорционально квадрату накопленного заряда, который в свою очередь пропорционален произведению плотности нейтронного потока на время измерений. Современные оптические спектрометры позволяют измерять изменение длины волны с точностью около 0,01 нм.
Датчик сохраняет метрологические характеристики при общей дозе облучения быстрыми нейтронами и гамма-радиацией свыше 2 МГр. Григорий Я. Буймистрюк и Александр М. Рогов, «Интеллектуальный волоконно-оптический датчик для измерений в экстремальных условиях», Paper #284 - ANIMMA International Conference, 7-10 June 2009, Marseille, France.
Восстановление исходного состояния волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2 происходит за счет компенсации электрических зарядов источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3 в результате электрического разряда, возникающего между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3 при превышении между ними разности потенциалов выше значения пробойного напряжения. Для этого источник и/или поглотитель снабжен острым электродом (на чертеже не показан).
Нейтронный датчик размещен в вакуумируемом корпусе 1. Корпус 1 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба. Откачивание воздуха из корпуса 1 датчика является необходимым условием его работоспособности. При наличии молекул воздуха между поглотителем заряженных частиц 3 и источником заряженных частиц 4 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным поляризацией молекул воздуха.
Чувствительность нейтронного датчика зависит от материала, толщины и площади слоя источника заряженных частиц 4, площади поглотителя заряженных частиц 3, степени жесткости волоконно-оптического датчика механических растяжений с встроенной брэгговской дифракционной решеткой 2.
Материал источника заряженных частиц 4 определяет количество единичных зарядов, выходящих из него в сторону поглотителя заряженных частиц 3. Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника заряженных частиц 4 с точки зрения максимального выхода заряда на единичный нейтрон являются изотопы В-11 и Са-40.
Поскольку поток быстрых нейтронов практически не меняется по глубине слоя источника заряженных частиц 4, чувствительность датчика увеличивается при увеличении толщины слоя источника до толщины примерно 100 мкм в случае В-11 и 1500 мкм в случае Са-40 и далее остается постоянной.
Таблица
Энергия нейтрона, МэВ
Материал источника
В-11
Са-40
1
3.2Е-5
8.3Е-7
1,5
6.6Е-5
1.3Е-6
2,5
8.7Е-5
1.2Е-5
4
6.4Е-5
2.4Е-5
6
8.5Е-5
1.6Е-4
10
8.5Е-5
3.8Е-4
14,5
1.7Е-4
4.1Е-4
В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона.
В случае датчика тепловых нейтронов материалом источника являются гадолиний и его изотопы Gd-155 и Gd-157, обладающие среди всех существующих элементов максимальным макроскопическим сечением поглощения нейтронов. При использовании гадолиния плотность потока тепловых нейтронов резко падает по мере удаления от поверхности слоя источника вглубь слоя. По этой причине существует толщина слоя источника, при которой выход заряженных частиц максимален. В случае естественного гадолиния эта толщина составляет примерно 10-12 мкм. Доля электронов, выходящих из этого слоя гадолиния при изотропном распределении потока нейтронов, составляет около 10% от числа упавших на него тепловых нейтронов. Вторым по количеству выходящих зарядов является кадмий и его изотоп Cd-113. Сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами для бора В-11 и Са-40, приводящего к рождению заряженных частиц, пренебрежимо мало по сравнению с сечением взаимодействия с быстрыми нейтронами. Это обеспечивает низкую чувствительность датчика к фоновому излучению тепловых нейтронов. Чувствительность к фоновому гамма-излучению также крайне низка из-за малой вероятности ядерных реакций под действием гамма-излучения с рождением заряженных частиц.
Сечение взаимодействия гадолиния и его изотопов Gd-155 и Gd-157, a также кадмия и его изотопа Cd-113 с быстрыми нейтронами и гамма-излучением пренебрежимо мало по сравнению с сечением для тепловых нейтронов. Датчик с источником заряженных частиц из этих элементов является датчиком тепловых нейтронов, практически нечувствительным к быстрым нейтронам и гамма-излучению. Оба типа датчиков нечувствительны к электромагнитным наводкам, так как используют оптическое средство измерения. Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, обладающего минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Одним из таких материалов является, например, графит.