ДАТЧИК БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ
FAST NEUTRON SENSOR

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, который содержит резистивный элемент в виде таблетки из делящегося материала с низкой теплопроводностью и большим удельным электросопротивлением. Под действием излучения элемент нагревается и изменяется его электросопротивление, которое измеряется. 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.
Задачами изобретения являются: создание энергонезависимого нейтронного датчика, менее чувствительного к фоновым излучениям и электромагнитным наводкам; обеспечение неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы.
Техническим результатом является:
исключение делящегося вещества; повышение помехозащищенности, достоверности измерений и надежности детектора нейтронов; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы; обеспечение неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания при запуске регистрирующей аппаратуры; обеспечение многократности использования; упрощение технической реализации.
11
40
Технический результат достигается тем, что в датчике быстрых нейтронов, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругий элемент, источник заряженных частиц выполнен из стабильного не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, при этом, по крайней мере, один из них закреплен на упругом элементе в виде витой цилиндрической пружины, или спиральной пружины, или торсионной пружины, или оболочечной пружины. Источник заряженных частиц выполнен из изотопа В, или изотопа Са. Между корпусом и источником заряженных частиц и/или между корпусом и пружинным элементом установлен, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где:
1 - корпус датчика; 2 - упругий деформируемый элемент в виде витой цилиндрической пружины; 3 - поглотитель заряженных частиц; 4 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения; 5 - пьезоэлектрический элемент для плавной регулировки зазора; 6 - пьезоэлектрический элемент для измерения силы притяжения источника и поглотителя заряженных частиц.
Нейтронный датчик размещен в вакуумируемом корпусе 1.
Корпус 1 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба.
В корпусе 1 установлены проходные электрические разъемы для подключения источника заряженных частиц 4, поглотителя заряженных частиц 3, пьезоэлектрических элементов 5 и 6, с помощью проводников к внешним регистраторам и устройству управления пьезоэлектрическими элементами 5 (на чертеже не показаны).
Датчик быстрых нейтронов работает следующим образом. Быстрые нейтроны, попадающие в материал источника заряженных частиц 4, вызывают в результате либо ядерной реакции, либо упругого столкновения с ядрами вещества источника 4 излучение заряженных частиц, которые распространяются в основном в направлении движения нейтронов.
При изотропном облучении источника 4 часть заряженных частиц выходит в сторону поглотителя заряженных частиц 3, закрепленного на торцевой поверхности пружины 2. 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.
Сила притяжения растягивает пружину 2, источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 приближаются друг к другу и при некоторой величине заряда приходят в контакт. Происходит компенсация зарядов, сила притяжения исчезает, и пружина 2 принимает исходное положение. В случае стационарного нейтронного потока процесс повторяется.
11
40
Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника 4 с точки зрения максимального выхода заряда на единичный нейтрон являются изотопы В и Са.
11
40
Поскольку поток быстрых нейтронов практически не меняется по глубине слоя источника 4, чувствительность датчика увеличивается при увеличении толщины слоя источника до толщины, примерно, 100 мкм в случае В и 1500 мкм в случае Са, и далее остается постоянной.
11
40
11
В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона. Из таблицы видно, что эффективность датчика с источником из В слабо зависит от энергии быстрого нейтрона. Эффективность датчика с источником из Са растет с увеличением энергии нейтрона и более чем на порядок превышает эффективность датчика с В при энергии нейтрона 14,5 МэВ.
Таблица
Энергия нейтрона, МэВ
Изотоп
В<sup>11</sup>
Са<sup>40</sup>
1
3.2Е-5
8.3Е-7
1,5
6.6Е-5
1.2Е-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
11
40
Сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами для бора В и Са, 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.
Откачивание воздуха из корпуса 1 нейтронного датчика является необходимым условием его работоспособности. При наличии молекул воздуха между поглотителем 3 и источником 4 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным в результате поляризации молекул воздуха.
Величина нейтронного потока измеряется частотой замыкания источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3 и/или разностью потенциалов, возникающей на пьезоэлектрическом элементе 6 при его деформации.
Чувствительность нейтронного датчика зависит от материала, толщины и площади слоя источника заряженных частиц 4, площади поглотителя 3 и степени жесткости пружинного элемента 2, а также от величины первоначального зазора между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3.
Материал источника заряженных частиц 4 определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника 4 в сторону поглотителя заряженных частиц 3. Под действием быстрых нейтронов обычно происходит несколько ядерных реакций с излучением различных заряженных частиц.
Вклад в накопленный заряд источника заряженных частиц 4 продуктов реакции определяется периодом полураспада и тем больше, чем меньше период полураспада. Пробег излучаемых частиц в источнике заряженных частиц 4 зависит от их энергии, заряда, а также заряда ядер материала источника заряженных частиц 4.
Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, электрически изолированный от источника заряженных частиц 4, обладающий минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Таким материалом является, например, графит.
В зависимости от условий применения и требований к конструкции нейтронного датчика в качестве пружинного элемента 2 использованы пружины: витые цилиндрические, или спиральные (в частности, шарнирно закрепленные), или торсионные, или оболочечные (мембрана, сильфон).
Начальный зазор между поглотителем заряженных частиц 3 и источником заряженных частиц 4 в отсутствие облучения составляет от одного до нескольких микрон.
Величину зазора регулируют с помощью пьезоэлектрического элемента 5. Момент замыкания и частоту замыканий измеряют с помощью электрических проводников, подведенных к источнику заряженных частиц 4 и поглотителю заряженных частиц 3, и регистратора (на чертеже не показаны).
4
-2
5
7
2
Расчет показывает, что для витой цилиндрической пружины, для которой d=10 м, D=10 м, G=5·10 Па, n=20, жесткость С составляет, примерно, 3·10 кг/с.
-14
Для растяжения пружины на 0,1 мкм сила притяжения источника 4 и поглотителя 3 должна составлять, примерно, 3·10 Н.
-4
2
4
-
Для источника и поглотителя каждого площадью 10 м такая сила возникает при накоплении единичного заряда величиной около 4,5·10 е.
40
2
8
В случае источника из Са и нейтронов с энергией 14,5 МэВ такой по величине заряд накопится при попадании на источник (S=1 см) около 1·10 нейтронов.
8
2
Для растяжения пружины на 1 мкм количество упавших на источник нейтронов должно быть больше. При первоначальном зазоре между источником 4 и поглотителем 3 величиной 1 мкм их замыкание с частотой в 1 Гц будет происходить при плотности потока быстрых нейтронов, равной, примерно, 3,2·10 нейтронов/см/с.
Измерение нейтронного потока производится также с помощью пьезоэлектрического элемента 6. Величина давления, действующего на пьезоэлектрический элемент 6 и обусловленного силой электрического притяжения источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3, определяется отношением:
s - площадь контакта пьезоэлектрического элемента с излучателем заряженных частиц 4 или поглотителем заряженных частиц 3, F - сила, действующая на пьезоэлектрический элемент, равная силе Кулоновского притяжения определена выражением:
0
Q - накопленный заряд, ε - электрическая постоянная, S - площадь наименьшего по площади элемента: излучателя заряженных частиц 4 или поглотителя заряженных частиц 3.
Из (1) и (2) следует, что давление Р пропорционально квадрату накопленного заряда, который в свою очередь пропорционален квадрату плотности нейтронного потока и времени измерений.
10
-
2
2
Оценка Р, выполненная при Q=10 e, S=1 см и s=1 мм, дает значение Р более 1 кПа, находящееся в диапазоне измеряемых величин давлений с помощью пьезоэлектрических датчиков давления.