НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР

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. 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. 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. 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 делящегося вещества; уменьшение чувствительности к фоновым излучениям; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение многократности использования.

Техническим результатом является: исключение делящегося вещества; уменьшение чувствительности к фоновым излучениям; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение многократности использования; упрощение технической реализации.

Технический результат достигается тем, что в нейтронном детекторе, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, источник заряженных частиц выполнен из стабильного не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, причем источник и/или поглотитель заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевой транзистор соединен со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора. Схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: 1 - корпус датчика нейтронов, 2 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 3 - поглотитель заряженных частиц. Датчик нейтронов включен в мостовую схему. 4 - полевой транзистор, 5 - электрическая схема для измерения тока в диагонали мостовой схемы, возникающего при разбалансировке моста. Плечами моста являются собственно каналы транзисторов 4 и резисторы R₁, и R₂. Резистор R₁ служит для начальной балансировки моста.

Нейтронный детектор работает следующим образом. Нейтроны, попадающие в материал источника заряженных частиц 2, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, часть из которых выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3. Источник заряженных частиц 2 и поглотитель заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Появление заряда на затворе каждого из полевых транзисторов 4 приводит к изменению сопротивления их каналов.

Для измерения сопротивления каналов может быть применена, например, мостовая электрическая схема. Изменение сопротивлений каналов транзисторов 4 приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению тока в ее диагонали. Изменение сопротивления в двух плечах мостовой схемы происходит синхронно и в противоположных направлениях. Синхронное изменение сопротивлений каналов транзисторов 4 обеспечивает увеличение чувствительности датчика по отношению к устройству с одним транзистором, подключенным либо к источнику 2, либо к поглотителю 3, так как уменьшает влияние собственных шумов транзистора.

При подключении и источника 2, и поглотителя 3 к затворам транзисторов происходит удвоенное изменение тока в диагонали мостовой схемы по сравнению с подключением только источника, или поглотителя. Шумовой сигнал при таком подключении возрастает лишь в 2^0.5 раз по причине статистической независимости шумов разных транзисторов.

Восстановление исходного состояния детектора происходит за счет компенсации электрических зарядов источника 2 и поглотителя 3 в результате электрического разряда, возникающего между источником 2 и поглотителем 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель может быть снабжен заостренным электродом (на чертеже не показан).

Нейтронный датчик размещен в вакуумируемом корпусе 1. Корпус 1 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба. В корпусе 1 установлены проходные электрические разъемы для подключения источника 2 и поглотителя заряженных частиц 3 к затворам полевых транзисторов. Откачивание воздуха из корпуса 1 датчика является необходимым условием его работоспособности. При наличии молекул воздуха между источником 2 и поглотителем 3 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным поляризацией молекул воздуха.

Чувствительность нейтронного датчика зависит от материала, толщины и площади слоя источника заряженных частиц 2, площади поглотителя 3, входной емкости полевых транзисторов.

Материал источника 2 заряженных частиц определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника в сторону поглотителя 3. Под действием быстрых нейтронов обычно происходит несколько ядерных реакций с излучением различных заряженных частиц. Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника 2 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 2, чувствительность датчика 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 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 этот слой 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 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 практически нечувствительным к быстрым нейтронам и гамма излучению.

Влияние электромагнитных наводок уменьшено применением двух идентичных транзисторов, включенных в противоположные плечи мостовой схемы.

Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, обладающим минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Одним из таких материалов является, например, графит.

Величина нейтронного потока измеряется величиной тока в диагонали мостовой схемы. Данная мостовая схема приведена лишь для примера и не является единственным вариантом исполнения схемы регистрации.

Заряд, появившийся на затворе полевого транзистора, приводит к появлению на нем напряжения U:

U=Q/C,

где: Q - заряд на затворе, С - входная емкость транзистора.

Напряжение, соответствующее уровню шумов полевого транзистора, составляет несколько микровольт. Для примера, примем это напряжение равным 3 мкВ, а входную емкость транзистора равной 1 пф. Расчет показывает, что напряжение в 3 мкВ возникает при появлении на затворе около 20 единичных зарядов. При площади 1 см² источника 2 из Са⁴⁰ такой величины заряд возникает при попадании на него примерно 5·10⁴ быстрых нейтронов с энергией 14,5 МэВ. В случае такого же по площади источника из гадолиния при появлении на затворе 20 единичных зарядов потребуется всего 2·10² тепловых нейтронов.