ДЕТЕКТОР МОНОНАПРАВЛЕННОГО НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
MONODIRECTED NEUTRON RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для определения плотности потока быстрых нейтронов при работе ядерно-физических установок.
Известны устройства, позволяющие осуществлять регистрацию нейтронного излучения с помощью детекторов прямого заряда, в которых реализуется радиационный захват нейтронов или реакция деления с последующей регистрацией токов в виде электронов, протонов, альфа-частиц или осколков деления [1].
Недостатком этих детекторов прямого заряда является невысокое временное разрешение, обусловленное сравнительно большим периодом полураспада (более 0,1 с) образующихся в эмиттере радиоактивных изотопов.
Известен другой тип детекторов прямого заряда, в котором вместо радиационного захвата нейтронов или реакции деления используется эффект образования в эмиттере комптоновских электронов с последующим их сбором на коллекторе и с приемлемым временным разрешением [2, 3].
Недостатком этого типа детекторов является то обстоятельство, что хотя они и используются для регистрации гамма-квантов или заряженных частиц, но они не чувствительны к таким электронейтральным частицам как нейтроны, по крайней мере, в диапазоне энергий от 100 кэВ до 20 МэВ.
В качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих признаков принят детектор мононаправленного нейтронного излучения [4].
Детектор состоит из корпуса и коллектора, выполненного в виде металлической пластины, отделенной от корпуса слоем диэлектрика, расположенным со стороны облучения и выполненным из водородсодержащего материала, например полиэтилена. В водородсодержащем диэлектрике при облучении нейтронами в результате упругих и неупругих взаимодействий с атомами водорода возникают высокоэнергетические протоны отдачи. Возникшие протоны двигаются преимущественно по направлению движения воздействовавших нейтронов. Коллектор, имеющий толщину, равную пробегу самого высокоэнергетического протона отдачи, обеспечивает полное поглощение поступающих к нему протонов отдачи и формирует положительный электрический сигнал, пропорциональный воздействующей плотности потока нейтронного облучения.
Недостатком указанного детектора-прототипа, во-первых, является относительно низкая чувствительность и возможность проявления нестабильности параметров этого детектора, обусловленной тем, что в выполненном из полиэтилена диэлектрическом слое, из которого облучающий поток нейтронов выбивает протоны отдачи, по мере облучения накапливается отрицательный заряд, препятствующий выходу из этого полиэтилена положительно заряженным частицам - протонам. В объеме этого диэлектрика возможно также возникновение неконтролируемых электрических пробоев, которые вкупе с нестабильным уровнем накапливающегося электрического заряда могут привести к неконтролируемой погрешности в определении плотности потока нейтронов.
Вторым недостатком детектора-прототипа является тот факт, что полезный сигнал регистрируется только с одного электрода - коллектора, на котором накапливается положительный заряд протонов отдачи, а отрицательный заряд, формирующийся в диэлектрическом слое из водородсодержащего материала в результате того, что высокоэнергетические нейтроны выбивают из этого слоя протоны отдачи, никак не используется.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является устранение эффектов, связанных с накоплением отрицательного заряда в диэлектрике и возможным возникновением электрических пробоев, а также повышение чувствительности детектора к нейтронному излучению.
Технический результат достигается следующим образом. В корпусе детектора размещен со стороны облучения диэлектрический слой (из водородсодержащего материала), толщиной равный пробегу самого высокоэнергетического протона, и этот слой заключен в токопроводящую оболочку, например из алюминированного полиэтилена, с электрическим выводом на регистрирующее устройство. Коллектор, например из алюминия, также с электрическим выводом на регистрирующее устройство, делают по толщине равным пробегу самого высокоэнергетического протона, что обеспечивает полный сбор в коллекторе всех пришедших протонов. Коллектор изолируют от корпуса детектора диэлектрической пленкой. Внутри корпуса детектора размещен электростатический экран, который электрически развязывает заключенный в токопроводящую оболочку диэлектрический слой из водородсодержащего материала от коллектора. Сигнальные выводы подсоединены к линиям связи, ведущим к дифференциальному усилителю: от токопроводящей оболочки, охватывающей диэлектрический слой из водородсодержащего материала, к инвертирующему входу, а от коллектора - к неинвертирующему входу [5].
При статическом режиме работы источника нейтронного излучения линии связи могут быть нагружены на высокоомные сопротивления, вплоть до сопротивлений равных по номиналу входным сопротивлениям соответствующих входов дифференциального усилителя. Однако если излучатель нейтронов работает в импульсном режиме, нагрузочные сопротивления подбирают равными волновому сопротивлению линий связи.
На фиг.1 представлена общая схема детектора мононаправленного нейтронного излучения, где:
1 - корпус детектора,
2 - диэлектрический слой из водородсодержащего материала,
3 - токопроводящая оболочка,
4 - электростатический экран,
5 - изолирующая оболочка,
6 - коллектор,
7 - линия связи коллектора 6 с входным сопротивлением 8 и неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя 12,
8 - входное сопротивление неинвертирующего входа 11 дифференциального усилителя 12,
9 - входное сопротивление инвертирующего входа 13 дифференциального усилителя 12,
10 - линия связи оболочки 3 с входным сопротивлением 9 и инвертирующим входом 13 дифференциального усилителя 12,
11 - неинвертирующий вход дифференциального усилителя 12,
12 - дифференциальный усилитель,
13 - инвертирующий вход дифференциального усилителя 12.
Работает детектор следующим образом: для регистрации потока нейтронов детектор размещается в заданном месте поля излучения. В результате воздействия направленного нейтронного излучения в водородсодержащем материале 2 возникают протоны отдачи, которые проникают сквозь токопроводящую оболочку 3, затем сквозь электростатический экран 4, изолирующую оболочку 5 и поглощаются коллектором 6. В результате в диэлектрическом слое 2 формируется отрицательный объемный заряд, а на коллекторе 6 - положительный.
В рассматриваемом варианте конструкции в качестве диэлектрического слоя 2 использован полиэтилен. Этот полиэтиленовый слой 2 заключен в токопроводящую оболочку 3. За счет электростатической индукции в оболочке 3 будет возникать отрицательный заряд, в точности равный суммарной величине объемного заряда, формирующегося при облучении нейтронами в водородсодержащем слое 2. В итоге создается ЭДС стороннего тока с минусовым полюсом на оболочке 3 и плюсовым - на коллекторе 6. Замкнутый контур рабочего тока проходит по элементам: от плюсового полюса на коллекторе 6 по линии связи 7 через входное сопротивление 8, затем через входное сопротивление 9 и по линии связи 10 на минус ЭДС, т.е. на оболочку 3. Таким образом, рабочий ток создает на входных сопротивлениях 8 и 9 два одинаковых по амплитуде (если эти сопротивления одинаковы), но разнополярных сигнала. Сигнал положительной полярности с входного сопротивления 8 по линии связи 7 подается на вход неинвертирующего канала 11 дифференциального усилителя 12, а сигнал отрицательной полярности с входного сопротивления 9 по линии связи 10 подается на вход инвертирующего канала 13 того же дифференциального усилителя 12. Эти два разнополярных сигнала в дифференциальном усилителе 12 по модулю складываются.
В данной схеме токопроводящая оболочка 3 за счет своих экранирующих свойств полностью исключает помехи как от пробоев, так и от тормозящего действия со стороны электрического поля накапливающегося электрического заряда на процесс выхода протонов из водородсодержащего диэлектрика 2, и, следовательно, уменьшается количество ошибок, влияющих на результаты измерения полезного сигнала.
Предлагаемый детектор позволяет получать и регистрировать в два раза больший по амплитуде полезный сигнал с меньшими электрическими помехами в системе регистрации сигнала по сравнению с детектором-прототипом.
Литература
1. Мительман М.Г., Розенблюм Н.Д. Зарядовые детекторы ионизирующих излучений. М., Энергоиздат, 1982, 78 с.
2. Иоилев Г.Ф., Сафонов В.А. Детектор с диэлектрическим рассеивателем. Приборы и техника эксперимента, 1969, №5, с.210.
3. Gross B. J.Applied Phjsics, 1965, v.36, N5.
4. Яковлев М.В., Терешкин И.С. Детектор мононаправленного нейтронного излучения. Авт. свидетельство №713293 от 10.01.2005 г., класс G01T 3/00.
5. Джонс М.Х. Электроника - практический курс. Москва: Постмаркет, 1999. - 528 с.