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, 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.
Задачей изобретения являются исключение из конструкции делящегося вещества; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы, 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.
Техническим результатом является исключение делящегося вещества; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы; повышение помехозащищенности, достоверности измерений и надежности детектора нейтронов; возможность измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение оптическими средствами требуемого порога срабатывания при запуске регистрирующей аппаратуры; многократность 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 не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, в корпусе датчика установлено, по крайней мере, одно оптическое волокно с гладким торцом, а на упругом элементе установлено оптическое зеркало.
Нейтронный датчик, содержащий источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругий элемент, отличающийся тем, что источник заряженных частиц выполнен из стабильного не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, в корпусе датчика установлено, по крайней мере, одно оптическое волокно с отражающим торцом.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2.
На фиг.1 схематически изображен нейтронный датчик, где 1 - корпус датчика, 2 - упругий элемент в виде цилиндрической пружины растяжения, 3 - поглотитель заряженных частиц, 4 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 5 - оптическое волокно, 6 - зеркально отражающий слой (отражающий элемент).
На фиг.2 представлен пример реализации измерения перемещения поглотителя заряженных частиц 3, закрепленного на упругом элементе 2, при накоплении электрического заряда, где 7 - оптический разветвитель, 8 - волоконный световод, 9 - торец оптического волокна 5, 10 - волоконный световод, 11 - источник света (светоизлучающий диод), 12 - фотоприемник (фотодиод), 13 - направление перемещения поглотителя 3 при накоплении заряда.
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 упругий элемент 2 и приближаются друг другу. Расстояние между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3 тем меньше, чем больше величина накопленного поглотителем/источником заряда.
Перемещение поглотителя заряженных частиц 3 измеряют оптически с помощью интерферометра Фабри-Перо, образованного гладким торцом 9 оптического волокна 5 и поверхностью оптического зеркала 6. Излучение лазерного диода 11 вводят в волоконный световод 8 и через разветвитель 7 передают на оптическое волокно 5. При этом часть излучения отражается в обратном направлении от торца 9 оптического волокна 5, а другая его часть выходит через торец 9, отражается от поверхности оптического зеркала 6 и возвращается обратно в оптическое волокно 5. Луч, отраженный от торца 9 оптического волокна 5, интерферирует с лучом, отраженным от поверхности оптического зеркала 6, и поступает через разветвитель 7 и волоконный световод 10 на фотоприемник 12.
Интенсивность сигнала фотоприемника зависит от расстояния между торцом 9 и поверхностью оптического зеркала 6.
Диапазон и точность измерения перемещений датчиком Фабри-Перо составляют, соответственно, несколько сотен микрометров и около 1 нм. С.А.Егоров, Ю.А.Ершов, И.Г.Лихачев, А.Н.Мамаев, «Волоконно-оптические датчики со спектральным кодированием на основе интерферометра Фабри-Перо». Письма в ЖТФ, 1992, т.18, вып.22, с.18-21.
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.
Восстановление исходного состояния датчика происходит за счет компенсации электрических зарядов источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3 при их соприкосновении при накоплении достаточного для этого заряда или в результате электрического разряда, возникающего между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель снабжен заостренным электродом (не показан).
Чувствительность нейтронного датчика зависит от материала, толщины и площади слоя источника заряженных частиц 4, площади поглотителя заряженных частиц 3, степени жесткости упругого элемента 2.
11
40
Материал источника заряженных частиц 4 определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника в сторону поглотителя 3. 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
11
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 и 1500 мкм в случае Са и далее остается постоянной. 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.
В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона.
Таблица
Энергия нейтрона, МэВ
Материал источника
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
155
157
113
В случае датчика тепловых нейтронов материалом источника являются гадолиний и его изотопы Gd и Gd, 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.
155
157
113
Сечение взаимодействия гадолиния и его изотопов Gd и Gd, a также кадмия и его изотопа Cd 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.
Упругим элементом могут служить витая цилиндрическая пружина или спиральная пружина, или торсионная пружина, или оболочечная пружина.
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.
Датчик не чувствителен к внешним электромагнитным наводкам, так как использует оптическое средство измерения.