Нейтронный датчик

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: 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 не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, на источнике заряженных частиц и/или на поглотителе заряженных частиц установлены лепестки оптической диафрагмы, связанной с оптической системой ввода и вывода светового излучения.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, схематично изображающем устройство датчика с упругим элементом в виде цилиндрической пружины, где 1 - корпус датчика, 2 - упругий элемент, 3 - поглотитель заряженных частиц, 4 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 5 - оптическая диафрагма, 6 - волоконный световод для ввода и вывода светового луча.

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 к другу.

Изменение взаимного положения источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3 при облучении нейтронами регистрируют с помощью оптической диафрагмы 5, противоположные лепестки которой механически связаны, соответственно, с источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3. Уменьшение расстояния между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3 приводит к уменьшению зазора диафрагмы 5 и интенсивности проходящего через нее светового пучка обратно пропорционально размеру зазора. Изменение интенсивности прошедшего через диафрагму 5 светового луча фиксируют с помощью фотоприемника, например фотодиода (не показан). Ввод первичного светового луча и вывод отраженного светового луча производят волоконным световодом 6.

При использовании оптической диафрагмы 5 с отражающим покрытием и импульсного источника света изменение взаимного положения источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3 регистрируют по интенсивности отраженного луча, который по волоконному световоду 6 и внешнему оптическому разветвителю отводят на фотоприемник.

Оптическая диафрагма 5 может быть изготовлена отражающей. Она работает как на отражение света, так и на его пропускание.

Это варианты реализации условия изменения интенсивности светового луча при сближении источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3. В первом случае - отраженного светового луча, во втором - прошедшего.

В первом случае достаточно одного волоконного световода 6, но источник света должен быть импульсным и необходим оптический разветвитель луча света.

Во втором случае использованы два оптических волокна (вход и выход), а луч света - стационарный и не нужен разветвитель.

Восстановление исходного состояния датчика происходит за счет компенсации электрических зарядов источника 4 и поглотителя 3 при их соприкосновении при накоплении достаточного для этого заряда или в результате электрического разряда, возникающего между источником 4 и поглотителем 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель может быть снабжен заостренным электродом (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 3 и источником 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 упругого элемента 2.

Материал источника заряженных частиц 4 определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника 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 В¹¹ и Са⁴⁰.

Поскольку поток быстрых нейтронов практически не меняется по глубине слоя источника заряженных частиц 4, чувствительность датчика быстрых нейтронов увеличивается при увеличении толщины слоя источника до толщины примерно 100 мкм в случае В¹¹ и 1500 мкм в случае Са⁴⁰ и далее остается постоянной.

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 В¹¹ слабо зависит от энергии быстрого нейтрона в диапазоне энергий 1-14,5 МэВ. Эффективность датчика с источником из Са⁴⁰ растет с увеличением энергии нейтрона и более чем на порядок превышает эффективность датчика с В¹¹ при энергии нейтрона 14,5 МэВ. Из таблицы следует, что для нейтронов спектра деления (средняя энергия около 2 МэВ) более эффективным является датчик с источником заряженных частиц из В¹¹.

В случае датчика тепловых нейтронов материалом источника являются гадолиний и его изотопы Gd¹⁵⁵ и Gd¹⁵⁷, 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 Cd¹¹³.

Сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами для бора В¹¹ и Са⁴⁰, приводящего к рождению заряженных частиц, пренебрежимо мало по сравнению с сечением взаимодействия с быстрыми нейтронами. Это обеспечивает низкую чувствительность датчика быстрых нейтронов 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 Gd¹⁵⁵ и Gd¹⁵⁷, a также кадмия и его изотопа Cd¹¹³ 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 и практически нечувствителен к быстрым нейтронам и гамма-излучению.

Датчик и быстрых, и тепловых нейтронов нечувствителен к электромагнитным наводкам, так как использует оптический канал 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.

Упругий элемент выполнен в виде витой цилиндрической пружины, или спиральной пружины, или торсионной пружины, или мембранной пружины.

Нейтронный датчик, содержащий источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругий элемент, отличающийся тем, что источник заряженных частиц выполнен из стабильного нерадиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, на источнике заряженных частиц и на поглотителе заряженных частиц установлены лепестки оптической диафрагмы, связанной с оптической системой ввода и вывода светового луча.