Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения плотности потока нейтронов ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от гамма-квантов и высокоэнергетичных космических электронов и протонов

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей плотности потока нейтронов, излучаемых ядерной энергетической установкой, размещенной на космическом аппарате.

Важнейшей характеристикой устройства детектирования для контроля плотности потока нейтронов ядерной энергетической установки, размещенной на космическом аппарате, является его устойчивость к внешним дестабилизирующим факторам, таким как гамма-излучение самой энергетической установки и космические высокоэнергетические заряженные частицы - протоны и электроны.

При воздействии на детектор нейтронов потока заряженных частиц в нем могут возникнуть сигналы, по амплитуде неотличимые от импульсов, обусловленных нейтронами. Для устранения этой компоненты фона обычно используют экранировку детектора нейтронов дополнительным счетчиком или группой счетчиков, фиксирующих прохождение заряженных частиц, а также осуществляют дискриминацию выходных сигналов по форме или используют разностную регистрацию сигналов от счетчиков с различной эффективностью регистрации нейтронов.

В качестве примера экранировки детектором нейтронов группой счетчиков можно привести детектор, разработанный для спутника OSO - F [1]. В состав детектора входит гелиевый пропорциональный счетчик, а в качестве замедлителя используется сцинтиллирующая пластмасса. Замедлитель окружен 22 пропорциональными счетчиками заряженных частиц, подключенными вместе с гелиевым счетчиком на устройство отбора антисовпадений. Пластический сцинтиллятор замедлителя вместе с фотоэлектронным умножителем образовывает дополнительный счетчик, который вместе с гелиевым счетчиком связан с устройством отбора совпадений. Быстрый нейтрон, попадая в замедлитель, создает несколько протонов отдачи, которые регистрирует дополнительный счетчик. Одновременное срабатывание гелиевого и дополнительного сцинтилляционного счетчиков идентифицируются как случаи регистрации быстрых нейтронов.

Примером разностной регистрации сигналов от счетчиков с различающейся эффективностью регистрации нейтронов служит устройство, содержащее две группы одинаковых борных пропорциональных счетчиков с низкой эффективностью регистрации фонового гамма-излучения и различной эффективностью регистрации нейтронов. В одной группе счетчики наполняли BF₃ с бором, обогащенным изотопом ¹⁰B до 96%, а в другой группе - с естественным бором (изотоп ¹⁰B около 12%) [2]. Отношение эффективности регистрации нейтронов в таком детекторе равно восьми при одинаковой эффективности детектирования заряженных частиц и гамма-квантов.

Известно устройство для регистрации плотности потока нейтронов, представляющее собой моноблок, содержащий нейтронный детектор, изготовленный на основе монокристалла LiCaAlF6 активированного церием (Се), и блок импульсной дискриминации [3]. Устройство различает нейтронное и гамма-излучение за счет различий в форме импульса световых сигналов от сцинтиллятора, возникающих при регистрации различных типов излучения, эта задача решается с помощью устройства дискриминации по форме сигналов.

Однако использование такого устройства на космическом аппарате для измерения плотности потока нейтронов от ядерной энергетической установки не представляется возможным. Это связано с тем, что форма импульсов от взаимодействия протонов и нейтронов с материалами сцинтиллятора практически одинакова, так как нейтроны в детекторе регистрируются по протонам отдачи, и космические протоны будут регистрироваться как полезный сигнал от протонов отдачи.

Например, плотность потока фоновых космических протонов с энергией выше 25 МэВ за защитой массовой толщиной 0,5 г/см² достигает значения 1,2×10⁵ частиц/(см²⋅сек). При вероятности регистрации таких частиц, близкой к 100%, указанная плотность потока создает такое значение фонового сигнала на детекторе, по сравнению с которым значение полезного сигнала от гамма-излучения ядерной энергетической установки будет пренебрежимо мало. Следовательно, величина плотности потока нейтронов, вычисляемая устройством, будет состоять только из фоновой компоненты.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство ПДТН-001, предназначенное для непрерывного измерения плотности потока тепловых нейтронов [4]. Для регистрации нейтронов спектра деления наземной ядерной энергетической установки устройство ПДТН-001 крепится к полиэтиленовому замедлителю, выполненному в виде полусферы с радиусом 10 см. Нейтроны спектра деления, испускаемые установкой, замедляются в полиэтилене до энергий тепловых нейтронов и регистрируются устройством.

ПДТН-001 состоит из узла детекторов, узла усилителя и узла комбинированного. Схема устройства приведена на фиг. 1. Узел детектирования, прикрепленный к полиэтиленовому замедлителю (1), представляет собой моноблок с одним измерительным каналом, содержащим два включенных параллельно кремниевых ионно-имплантированных детектора (2, 3). Каждый кремниевый детектор площадью 250 мм² крепится на отдельной печатной плате. На чувствительную область каждого детектора нанесена пленка конвертера (4, 5). Конвертер изготовлен в виде пленки толщиной около 5 мкм из материала Li⁶F. Детекторы регистрируют заряженные частицы, образовавшиеся в результате взаимодействия нейтронов с ядрами атомов Li⁶, содержащихся в пленке конвертеров. Детекторы размещены один за другим в корпусе из алюминия (6) толщиной 0,5 мм. Выходной сигнал каждого из детекторов поступает на вход одного общего для них узла усиления (7), состоящего из зарядочувствительного предусилителя и квазигауссовского усилителя-формирователя. Затем через амплитудный селектор и магистральный импульсный усилитель (8) сигнал поступает на внешний блок обработки информации. Питание устройства осуществляется от блока питания (9).

Работает ПДТН-001 следующим образом. Кремниевые детекторы преобразуют энергию заряженных частиц, вылетающих из конвертора, в электрический заряд, который усиливается и преобразуется в импульс напряжения. Этот импульсный сигнал подается на селектор амплитуды. На выходе селектора сигнал формируется по длительности и амплитуде, затем усиливается магистральным усилителем по мощности и поступает на выходной разъем устройства ПДТН-001.

Основным недостатком устройства ПДТН-001 является отсутствие возможности его использования на космических объектах, оснащенных ядерной энергетической установкой, для проведения радиометрического контроля плотности потока излучаемых нейтронов. Это обусловлено высокой чувствительностью устройства к регистрации протонов и электронов.

Целью изобретения является создание устройства для измерения плотности потока нейтронов, создаваемого ядерной энергетической установкой, размещенной на космическом аппарате, в условиях фоновой помехи от гамма-квантов ядерной энергетической установки и высокоэнергетичных космических электронов и протонов.

Поставленная цель достигается за счет следующих конструктивных особенностей.

Предложено устройство, схема которого приведена на фиг. 2. Для регистрации нейтронов спектра деления ядерной энергетической установки устройство прикрепляется к замедлителю (9), в котором нейтроны спектра деления замедляются до энергий тепловых нейтронов. Устройство содержит полупроводниковые детекторы (10, 11), помещенные в защитный корпус (12). Полупроводниковые детекторы крепятся на отдельных печатных платах и размещены в защитном корпусе так, чтобы чувствительные стороны детекторов с нанесенными на них конвертерами (13, 14) были обращены по направлению друг к другу. Между детекторами устанавливается пластина (15), выполненная из органического материала. Выход каждого полупроводникового детектора подан на отдельный, соответствующий этому детектору, зарядочувствительный предусилитель с квазигауссовским формирователем (16). Выход каждого предусилителя соединен с входом соответствующего устройства селекции сигналов по амплитуде (17). Выход каждого устройства селекции соединен с входом соответствующего формирователя временной отметки (18). Выходы каждого формирователя соединены с входом устройства временной селекции (19), осуществляющим отбор сигналов по схеме антисовпадений. Информация с выхода устройства временной селекции поступает на внешний блок обработки информации для вычисления численного значения плотности потока нейтронов. Питание устройства осуществляется от блока питания (20). Устройство работает следующим образом.

Нейтроны, замедленные до тепловых энергий, попадают в конвертер, размещенный на каждом полупроводниковом детекторе, и вызывают ядерную реакцию Li⁶(n, α)Н³, в результате которой в конвертере рождаются две заряженные частицы: альфа-частица и тритон Н³. Замедлитель нейтронов, как и в прототипе, может быть выполнен в виде полусферы из полиэтилена радиусом 10 см.

Заряженные частицы при рождении разлетаются строго в противоположные стороны, их траектории по отношению друг к другу направлены под углом 180°. Заряженные частицы, вылетевшие из конвертера в сторону детектора, которому он принадлежит, преобразуются в электрический заряд, который усиливается зарядочувствительным усилителем, преобразуется в импульс напряжения и подается на селектор амплитуд, а затем на формирователь временной отметки.

В качестве полупроводниковых детекторов могут выступать детекторы, выполненные из кремния. Для повышения радиационной стойкости устройства вместо кремниевых детекторов можно использовать детекторы ионизирующего излучения на основе алмаза.

Заряженные частицы, вылетевшие из конвертера в сторону детектора, которому он не принадлежит, поглощаются в пленке из органического материала, следовательно, не долетают до другого детектора и не регистрируются им. В качестве материала для пленки может использоваться полиэтилен толщиной 0,5 мм.

Таким образом, моменты формирования сигналов в каждом из двух полупроводниковых детекторах при регистрации нейтронов не совпадают между собой. Следовательно, сигналы от каждого детектора, поданные на устройство временной селекции, работающего в режиме антисовпадений, поступают на блок обработки информации без искажений.

Низкоэнергетичное фоновое излучение электронов, протонов и гамма-квантов поглощается защитным корпусом. Толщина и материал корпуса должна быть достаточны для исключения попадания на детекторы низкоэнергетичных гамма-квантов от ядерной энергетической установки и низкоэнергетичных космических заряженных частиц. В качестве материала для защитного корпуса может использоваться сталь толщиной не менее 17 мм.

Высокоэнергетичное фоновое излучение, образованное космическими электронами и протонами, а также комптоновскими электронами, возникающими при взаимодействии высокоэнергетичных гамма-квантов ядерной энергетической установки с защитным корпусом и конструктивными элементами устройства детектирования, пронизывают оба детектора, и в них одновременно формируются электрические сигналы. Импульсы, возникающие одновременно на выходе двух детекторов, при регистрации высокоэнергетического фонового излучения, исключаются устройством временной селекции, работающим по схеме антисовпадений.

Таким образом, совокупность отличительных признаков позволяет выполнить поставленную задачу по измерению плотности потока нейтронов, создаваемого ядерной энергетической установкой, размещенной на космическом аппарате, в условиях фоновой помехи от гамма-квантов ядерной энергетической установки и высокоэнергетичных космических электронов и протонов.

Литература

1. Lockwood J.A., Chupp E.L., and Jenkins R.W., IEEE Trans. Geoscience Electron GE-7, №2.88 (1969).

2. Martin J.P., Witten L.J., Geophis. Res., G6, 2613, (1963).

3. Устройство детектирования плотности потока нейтронов, Патент США 2013181137, опубл. 2013-07-18.

4. Узел детектирования ПДТН-001. Руководство по эксплуатации. СНАТ.418264.018 РЭ, ООО «СНИИП-Плюс», 2012 г.