НЕЙТРОННЫЙ ДАТЧИК
NEUTRON SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромеханических наводок, и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов, критических сборок, импульсных и других источников 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.
€
Известна ионизационная камера деления, включающая электродную систему, состоящую из рабочей и компенсационной секции, каждый электрод компенсационной секции состоит из металлической пластины, каждый электрод рабочей секции состоит из металлической пластины, с двух сторон которой имеется радиатор из ураносодержащего вещества, отличающаяся тем, что электрод компенсационной секции имеет с двух сторон радиатор из ураносодержащего вещества и фильтр, электрически соединенный с пластиной, радиатор имеет количество урана в (1+) раз
€
больше, чем радиатор в рабочей секции, где относительное поглощение бета-излучения продуктов деления при прохождении его через фильтр, толщина которого равна максимальной величине пробега осколков деления в нем и который выполнен из материала, имеющего электрическую проводимость и малое сечение активации. Патент Российской Федерации №2076339, МПК: G01T 3/00, 1997 г.
Недостатками аналогов является применение радиоактивных материалов, чувствительность к фоновым излучениям и электромеханическим наводкам, размеры, не позволяющие использовать аналоги в каналах ядерного реактора и других труднодоступных местах, необходимость в сложной вторичной аппаратуре.
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 является применение делящегося вещества, низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления, сложность изготовления, большое количество конструктивных элементов.
Задачей изобретения является создание электромеханического нейтронного датчика, нечувствительного к фоновым излучениям и электромеханическим наводкам.
Техническим результатом является измерение нейтронных потоков, проведение измерений в сложных радиационных условиях и в труднодоступных местах, отсутствие делящегося вещества, упрощение технологии измерений, упрощение технической реализации.
Технический результат достигается тем, что в нейтронном датчике, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругодеформируемый элемент, источник заряженных частиц выполнен из нерадиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, при этом, по крайней мере, один из них закреплен на упругодеформируемом элементе. Источник заряженных частиц выполнен из металлического гадолиния, или его изотопов Gd-155 и/или Gd-157, или из кадмия, или из изотопа кадмия Cd-113. Между опорой и источником заряженных частиц и/или между опорой и деформируемым элементом установлен пьезоэлемент. Между опорой деформируемого элемента и поглотителем заряженных частиц под деформируемым элементом со стороны излучателя установлен, по крайней мере, один дополнительный пьезоэлемент с возможностью контакта с деформируемым элементом.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где: 1 - опора упругодеформируемого элемента, 2 - упругодеформируемый элемент, 3 - поглотитель заряженных частиц, 4 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 5 - пьезоэлемент для плавной регулировки зазора, 7 - дополнительный пьезоэлемент для дискретного регулирования жесткости деформируемого элемента, 6 - опора источника заряженных частиц 4.
Нейтронный датчик работает следующим образом. Нейтроны, попадающие в материал источника заряженных частиц 4, установленного на опоре 6, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, которые распространяются во все стороны изотропно, часть из них выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3, закрепленного на поверхности упругодеформируемого элемента 2. Источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Между ними возникает сила Кулоновского притяжения, которая растет по мере увеличения заряда.
Сила Кулоновского притяжения изгибает упругодеформируемый элемент 2. Величина изгиба упругодеформируемого элемента 2 пропорциональна квадрату электрического заряда, обусловленному поглощенными нейтронами. При увеличении заряда и изгиба упругодеформируемого элемента 2 источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 приходят в контакт. Происходит компенсация зарядов, сила Кулоновского притяжения исчезает и упругодеформируемый элемент 2 принимает исходное положение.
Чувствительность нейтронного датчика можно регулировать изменением толщины слоя материала источника заряженных частиц 4, подвижностью упругодеформируемого элемента 2, материалами и/или различной толщиной упругодеформируемого элемента 2, изменением величины зазора.
Дополнительный пьезоэлемент 7 служит для дискретного регулирования жесткости упругодеформируемого элемента 2 устанавливают между опорами 1 и 6 и/или между опорой 1 и упругодеформируемым элементом 2.
Момент замыкания и частоту замыканий фиксируют электрическими проводниками, подведенными к источнику заряженных частиц 4 и поглотителю заряженных частиц 3, и регистратора (на чертеже не показаны).
Измеряемая частота замыканий пропорциональна величине нейтронного потока. Для определения его величины прибор градуируют на нейтронном источнике с известным потоком.
Интенсивность излучения заряженных частиц определена выражением:
1
где p - плотность вероятности захвата нейтрона с рождением заряженной частицы,
2
р - вероятность выхода заряженной частицы с глубины «х» в сторону поглотителя,
F(x) - распределение плотности нейтронного потока по глубине слоя источника заряженных частиц 4.
1
p определяется макроскопическим сечением ядерной реакции с излучением заряженной частицы, происходящей в слое источника заряженных частиц 4 под действием нейтронов.
2
p определяется длиной пробега рождающихся заряженных частиц и зависит от их энергетического спектра и вещества излучателя.
1
2
Интегрирование выражения (1) проводится по всей толщине слоя излучателя. Оптимальная толщина излучателя определяется соотношением p и р.
Известно, что сейчас на нашей Земле всего 83 стабильных (нерадиоактивных) химических элемента, но при образовании Солнечной системы их родилось намного больше.
Самый легкий - водород с атомным номером 1, самый тяжелый - уран с номером 92. До настоящего времени сохранились лишь те, время жизни которых больше возраста Земли - 4,5 миллиарда лет. Другие распались и не дожили до наших дней. Это касается только сверхтяжелых элементов, номер которых в таблице Менделеева больше 83. Однако, к примеру, уран распадается и сейчас.
Материал источника 4 заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, должен иметь большое "совокупное" сечение ядерных реакций, происходящих с участием нейтрона и образованием заряженных частиц. Это может быть одна реакция или несколько реакций. Излучаемые частицы в последнем случае могут быть разными.
Энергия частиц, с одной стороны, и их пробег в материале источника, зависящий от химического состава источника, с другой стороны, должны обеспечивать как можно более высокий выход образовавшихся заряженных частиц в сторону поглотителя.
В конечном итоге эффективность датчика определяется произведением двух факторов: сечения с образованием заряженной частицы и пробега заряженной частицы в материале источника. Подавляющее число химических элементов имеет сравнительно малое сечение взаимодействия с нейтронами.
Особняком стоят гадолиний и кадмий с их изотопами, которые обладают максимальными сечениями поглощения тепловых нейтронов среди других существующих стабильных химических элементов и излучают при этом легкие заряженные частицы - электроны, имеющие достаточно большую энергию и пробег в этих металлах. Так, например, при поглощении нейтрона в гадолинии излучаются конверсионные электроны в диапазоне энергий от 29,2 кэВ до 180 кэВ. Вероятность поглощения нейтрона с рождением конверсионного электрона очень высока и составляет 0,725. Средняя энергия электронов составляет около 65,9 кэВ.
Средний пробег электронов составляет около 17 мкм. Максимальный выход электронов из слоя гадолиния имеет место в диапазоне толщин от 6 мкм до 20 мкм. При этом доля электронов, выходящих из слоя гадолиния в этом диапазоне толщин в сторону поглотителя при изотропном распределении потока нейтронов на датчик, составляет около 30% от числа упавших на этот слой нейтронов.
11
40
В случае быстрых нейтронов могут использоваться слои их изотопов бора и кальция: В и Са, которые при облучении быстрыми нейтронами достаточно эффективно излучают тяжелые заряженные частицы, в основном: протоны, альфа-частицы и ядра отдачи. Поток быстрых нейтронов практически не меняется по глубине слоя излучателя, поэтому число рождаемых заряженных частиц постоянно увеличивается при увеличении толщины слоя. Толщина, при которой выход заряженных частиц достигает насыщения, определяется пробегом заряженных частиц.
11
40
Оценки показывают, что эта толщина составляет для В и Са около 0.1 мм и 1.5 мм, соответственно.
Максимальные выходы единичного заряда из слоев <sup>11</sup>В и <sup>40</sup>Са в сторону поглотителя на один попавший в них быстрый нейтрон
Энергия нейтрона, МэВ
1
1.5
2.5
4
6
10
14.5
Материал из лучателя
<sup>11</sup>В
3.2Е-5
6.6Е-5
8.7Е-5
6.4Е-5
8.5Е-5
8.5Е-5
1.7Е-4
<sup>40</sup>Са
8.3Е-7
1.2Е-6
1.2Е-5
2.4Е-5
1.6Е-4
3.8Е-4
4.1Е-4
11
40
11
40
В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из В и Са на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий быстрого нейтрона. Из нее следует, что в диапазоне энергий 1-14.5 МэВ зависимость выхода заряда от энергии нейтрона для В по сравнению с Са более слабая.
Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, электрически изолированный от источника заряженных частиц 4, обладающим минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц.
В случае электронов таким материалом является графит, обладающий по сравнению с другими хорошо проводящими материалами, включая медь и серебро, наименьшим альбедо во всем диапазоне энергий излучаемых гадолинием электронов. В качестве поглотителя заряженных частиц 3 может выступать сам упругодеформируемый элемент 2, если он изготовлен из электропроводящего материала. Материал и сечение упругодеформируемого элемента 2 определяются заданной жесткостью к деформации. Размер сечения в направлении упругой деформации обычно не превышает несколько десятков микрон.
Зазор между поглотителем заряженных частиц 3 и источником заряженных частиц 4 в отсутствии облучения составляет несколько микрон. Электрическую изоляцию устанавливают: в месте крепления поглотителя заряженных частиц 3 к деформируемому элементу 2, и/или в месте крепления деформируемого элемента 2 к опоре 1, и/или в месте крепления источника заряженных частиц 4 к пьезоэлементу 5.
Для регулировки чувствительности датчика установлены два типа пьезоэлементов 5 и 7. Пьезоэлементы 5 служат для плавной регулировки зазора между опорой 1 и источником заряженных частиц 4 и/или между опорой 1 и деформируемым элементом 2. Величину зазора устанавливают изменением величины приложенного к пьезоэлементу 5 электрического напряжения по проводникам (на чертеже не показаны). Чем меньше величина нейтронного потока, тем зазор должен быть меньше. Пьезоэлементы 7 (на чертеже показан один) установлены вдоль деформируемого элемента 2 на различных расстояниях от его точки крепления и служат для дискретного регулирования жесткости деформируемого элемента 2 за счет изменения эффективной (рабочей) длины элемента. Чувствительность нейтронного датчика обратно пропорциональна квадрату рабочей длины деформируемого элемента 2. При приложении к одному из пьезоэлементов 7 электрического напряжения заданной полярности и величины, пьезоэлемент 7 приводят в соприкосновение с деформируемым элементом 2, изменяя тем самым его рабочую длину.
Нейтронный датчик размещен в вакуумируемом корпусе (на чертеже не показан). Корпус откачивают до давления не менее десятков миллиметров ртутного столба. В корпусе установлены проходные электрические разъемы для подключения источника заряженных частиц 4, поглотителя заряженных частиц 3, пьезоэлементов 5 и внешних проводников.
8
-1
-2
Расчет чувствительности нейтронного датчика показывает, что при использовании в качестве источника заряженных частиц 4 гадолиния толщиной несколько микрометров, а в качестве деформируемого элемента 2 бронзовой пластинки со свободной длиной 1 см, шириной 1 мм, толщиной 10 мкм, находящейся на расстоянии 1 мкм от источника заряженных частиц 4, частота срабатывания в 1 Гц достигается при плотности потока тепловых нейтронов величиной около 2·10 с·см.