АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации ядерных излучений, например, для регистрации спектров быстрых нейтронов в экспериментальных исследованиях и на объектах ядерной энергетики.

Известен способ регистрации спектров быстрых нейтронов с применением полупроводникового детектора [1]. Недостатками этого детектора являются невозможность работы в условиях высоких температур и агрессивной среды.

Известен алмазный детектор для регистрации ядерных излучений, например, для регистрации спектров быстрых нейтронов [2]. Алмазный детектор содержит чувствительный к ядерному излучению элемент, выполненный в виде алмазной пластины с контактами, размещенными противоположно на двух плоскостях алмазной пластины, имеющими большую площадь, токовводы, соединенные с соответствующими контактами на алмазной пластине с помощью проволочек, и корпус. Для крепления алмазной пластины служат две одинаковые прокладки из полиэтилена или фторопласта и металлическая гайка, ввинчивающаяся в корпус. Алмазный детектор имеет три токоввода. Первый и второй токовводы - изолированные. Третий - неизолированный. Первый и второй токовводы подсоединяются соответственно к первому и второму контактам на алмазной пластине с помощью проволочек, которые припаиваются или привариваются к токовводам, а к контактам на алмазной пластине присоединяются посредством аквадага или серебряной пасты с последующей термообработкой. Третий токоввод приваривается к корпусу и служит для заземления. Свободные концы токовводов подсоединяются к разъему и далее с помощью кабеля к усилителю и регистрирующей аппаратуре.

Алмазный детектор устанавливают на пути регистрируемого ядерного излучения и прикладывают напряжение от внешнего источника питания к первому контакту на алмазной пластине, а со второго снимают сигналы, обусловленные падающим ядерным излучением. Недостатком этого устройства является узкий температурный диапазон и невозможность использования в агрессивных средах. Например, в токамаке ИТЭР (Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор) в камере ВНК (вертикальная нейтронная камера), где алмазный детектор должен быть установлен для работы в составе спектрометра быстрых нейтронов: температура - 150°C, а при технологической подготовке камеры - 250°C, поток нейтронов в канале коллиматора 10⁵-10¹⁰ нейтрон/(см²·с), магнитное поле до 1,5 Тл. В таких условиях конструкционные материалы (фторопласт, полиэтилен, токопроводящие компаунды), применяемые в алмазном детекторе [2], становятся неработоспособными и загрязняют рабочий объем ИТЭР, а детали и узлы с применением ферромагнитных материалов испытывают большие механические нагрузки. Кроме того, конструкции корпуса и токовводов не обеспечивают необходимой помехозащищенности алмазного детектора и полосы пропускания для сигналов, поступающих с его чувствительного элемента к регистрирующей аппаратуре, находящейся на большом (~ 30 м) расстоянии от алмазного детектора.

Техническим результатом данного изобретения является расширение области применения и повышение надежности.

Для достижения указанного технического результата в известном алмазном детекторе, содержащем чувствительный к ядерному излучению элемент, выполненный в виде алмазной пластины с контактами, размещенными противоположно на двух плоскостях алмазной пластины, имеющими большую площадь, токовводы, соединенные с соответствующими контактами на алмазной пластине с помощью проволочек, и корпус, предложено в алмазный детектор дополнительно ввести оправку из высокотемпературного изоляционного материала, например, сапфира с отверстием, размеры которого соответствуют размерам алмазной пластины, и пружину, токовводы выполнять в виде плоских пружин, проволочки соединять с контактами на алмазной пластине и токовводами посредством сварки, например, ультразвуковой микросварки, а корпус выполнять совместимым с триаксиальной линией связи. Дополнительно ввести вставки и гайку, изготовленные из высокотемпературного изоляционного конструкционного материала, например, технической керамики DEGUSSIT AL23. Контакты на двух противоположных плоскостях алмазной пластины, имеющих большую площадь, изготавливать из золота и наносить, например, методом вакуумного напыления, причем толщина каждого контакта должна составлять 30 нм. Дополнительно ввести альфа источник, например, Am²⁴¹ с активностью 500 Бк и геттер, причем альфа источник жестко закрепить под крышкой внутреннего экранирующего корпуса, а геттер жестко закрепить на внутренней поверхности наружного экранирующего корпуса. Дополнительно ввести трубку, через которую алмазный детектор вакуумировать, после чего трубку опрессовать. На токовводы и пружину нанести золотое покрытие, например, методом вакуумного напыления. Все детали алмазного детектора выполнять из немагнитных материалов, а наружный экранирующий корпус из немагнитного материала, работоспособного в агрессивных средах, например, нержавеющей стали.

На фиг.1 представлен общий вид алмазного детектора, на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1, на фиг.5 - узел оправки с алмазной пластиной и токовводами, на фиг.6 - вид по стрелке Г на фиг.5, на фиг.7 - алмазная пластина с контактами.

Алмазный детектор содержит чувствительный к ядерному излучению элемент, выполненный в виде алмазной пластины 1 с первым контактом 2 и вторым контактом 3 из золота, нанесенными, например, методом вакуумного напыления на двух противоположных плоскостях алмазной пластины 1, имеющих большую площадь, причем толщина каждого контакта составляет 30 нм. Алмазная пластина 1 размещена в оправке 4 из высокотемпературного изоляционного материала, например, сапфира с отверстием, размеры которого соответствуют размерам алмазной пластины 1. Фиксация алмазной пластины 1 в оправке 4 достигается с помощью пружины 5, выполненной в виде гроверной шайбы, первого токоввода 6 и второго токоввода 7, которые в свою очередь крепятся к оправке 4 с помощью крепежных деталей 8. Первый токоввод 6 и второй токоввод 7 выполнены в виде плоских пружин и также как пружина 5 изготовляются из немагнитного материала, обладающего пружинными свойствами, например, бериллиевой бронзы. Первый токоввод 6, второй токоввод 7 и пружина 5 позолочены, например, методом вакуумного напыления. Первый токоввод 6 и второй токоввод 7 имеют в центре отверстие с меньшими размерами по сравнению с размерами алмазной пластины 1 и размерами отверстия в центре оправки 4. При сборке узла оправки 4 с алмазной пластиной 1 центры отверстий первого токоввода 6, второго токоввода 7, центрального отверстия оправки 4 и пружины 5 совпадают. Первый контакт 2 на алмазной пластине 1 соединен с первым токовводом 6 с помощью проволочек 9 и 10, которые привариваются, соответственно, к контакту 2 и токовводу 6 посредством, например, ультразвуковой микросварки. Аналогично второй контакт 3 соединен со вторым токовводом 7 с помощью проволочек 11 и 12. Проволочки 9, 10, 11 и 12 изготавливают из пластичного, немагнитного материала с высокой электропроводностью и температурой плавления, например, золота. Первый токоввод 6 подсоединяется к центральному проводнику 13 с помощью крепежных деталей 14, а второй токоввод 7 к первому внутреннему цилиндру 15 с помощью крепежных деталей 16. Центральный проводник 13 изолируется от первого внутреннего цилиндра 15 первой керамической вставкой 17 и фиксируется с помощью керамической гайки 18. В отверстие, находящееся на оси центрального проводника 13, вставляется и запаивается центральный проводник триаксиальной линии связи, соединяющей алмазный детектор с усилителем и регистрирующей аппаратурой. На первый внутренний цилиндр 15 надевается второй внутренний цилиндр 19, в который ввинчивается первая крышка 20. К первой крышке 20 прикреплены стойки 21 и вторая керамическая вставка 22, а также приварен третий внутренний цилиндр 23. Противоположным концом третий внутренний цилиндр 23 приварен к внутреннему экрану триаксиальной линии связи. Первый внутренний цилиндр 15 закрыт второй крышкой 24, под которой жестко закреплен альфа источник 25, например, Am²⁴¹ с активностью 500 Бк. Первая 20 и вторая 24 крышки, первый 15, второй 19 и третий 23 внутренние цилиндры образуют внутренний экранирующий корпус алмазного детектора, все детали которого изготовлены из немагнитного материала с высокой электропроводностью, например, электротехнической меди. На наружной поверхности второй крышки 24 сделаны пазы, в которые вставлены по плотной посадке изолирующие третьи керамические вставки 26. Первая 17, вторая 22, третьи 26 вставки и гайка 18 изготовляются из высокотемпературного изоляционного конструкционного материала, например, технической керамики DEGUSSIT AL23. Внутренний экранирующий корпус алмазного детектора с третьими керамическими вставками 26 помещен в первый наружный цилиндр 27, к которому приварена третья крышка 28. К третьей крышке 28 приварен второй наружный цилиндр 29. Противоположным концом второй наружный цилиндр 29 приварен к наружному экрану триаксиальной линии связи. Первый 27, второй 29 наружные цилиндры и третья крышка 28 образуют наружный экранирующий корпус алмазного детектора, все детали которого изготовлены из немагнитного электропроводящего материала, работоспособного в агрессивных средах, например, нержавеющей стали. На внутренней поверхности первого наружного цилиндра 27 жестко закреплен геттер 30. Через трубку 31 алмазный детектор вакуумируется, после чего она опрессовывается.

Алмазный детектор устанавливают на пути регистрируемого ядерного излучения, и прикладывают с помощью триаксиальной линии связи напряжение в диапазоне (50-400) B от внешнего источника питания ко второму контакту 3 на алмазной пластине 1, а с первого контакта 2 снимают сигналы, обусловленные падающим ядерным излучением. Наружный экранирующий корпус алмазного детектора заземляют. При прохождении регистрируемого ядерного излучения через алмазную пластину 1 в ней возникают импульсы тока, обусловленные ионизацией. Эти импульсы образуют во внешней цепи импульсы напряжения, которые усиливаются и регистрируются известной аппаратурой. Альфа источник 25, например, Am²⁴¹ с активностью 500 Бк используют для калибровки и онлайн тестирования алмазного детектора.

Как показали эксперименты, алмазный детектор стабильно работает без потери качества измерений при температуре до 250°C. Конструкции корпуса и токовводов алмазного детектора обеспечивают необходимую помехозащищенность и полосу пропускания для сигналов, поступающих с его чувствительного элемента к регистрирующей аппаратуре, находящейся на расстоянии 30 м. Это расширяет область применения и повышает надежность по сравнению с прототипом при использовании алмазного детектора в современных токамаках и в установках, которые будут созданы в будущем.

Приведем один из конкретных примеров алмазного детектора. Размеры алмазной пластины - 4.5×4.5×0.5 мм, габаритные размеры корпуса - ⌀49×94 мм. Альфа источник обеспечивает загрузку детектора на уровне 10-50 импульсов/с. Рабочая температура до 250°C,

Источники использованной информации

1. Колеватов Ю.И., Семенов В.П., Трыков Л.А. Спектрометрия нейтронов и гамма-излучения в радиационной физике, М.: Энергоатомиздат. - 1990.

2. Козлов С.Ф. Датчик для измерения удельных потерь энергии ядерных излучений. Авторское свидетельство СССР №451972. М.Кл. СКИТ 1/16. Бюл. №44. Опубл. 14.04.75.