Детектор с водородсодержащим рассеивателем

ДЕТЕКТОР С ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИМ РАССЕИВАТЕЛЕМ, содержащий размещенные в металлическом корпусе два электрода, один из которых заключен между слоями диэлектриков, один из которых выполнен из водородсодежащего материала, а другой - из материала, не содержащего атомов водорода, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности регистрации импульсного излучения нейтронов со средней энергией выше 1 МэВ при сохранении возможности компенсации сигнала от гамма-излучения, второй электрод установлен со стороны неводородсодержащего диэлектрика вплотную к нему, причем детектор дополнительно содержит диэлектрик, выполненный из неводородсодержащего материала и расположенный между вторым электродом и корпусом вплотную к ним.

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, а именно к устройствам для регистрации нейтронов. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для регистрации временной зависимости плотности потока быстрых нейтронов в импульсных полях излучения со средней энергией нейтронов выше 1 МэВ на ядерных реакторах.
Известен детектор с водородсодержащим рассеивателем (ДВР), состоящий из размещенного в металлическом корпусе электрода, выполненного из материала с низким атомным номером в виде пластины, разделенной с корпусом двумя слоями диэлектриков, один из которых выполнен из водородсодержащего материала, например полиэтилена, а другой, расположенный с противоположной стороны коллектора, - из материала, не содержащего атомов водорода с эффективным атомным номером, не превышающим атомного номера материала корпуса и электрода, например фторопласта.
Детектор работает по принципу регистрации тока протонов отдачи, возникающего в водородсодержащем диэлектрике под действием направленного излучения нейтронов.
При облучении данной конструкции гамма-квантами вследствие переноса комптоновских и фотоэлектронов происходит нарушение электронного равновесия между веществами с различными эффективными атомными номерами, т. е. между водородсодержащим и неводородсодержащим диэлектриками. Величина сигнала от гамма-излучения в поле излучения ядерно-физической установки с соотношением нейтронной и гамма-составляющих 10^-9 составляет величину (30 - 80)% сигнала от нейтронов при толщинах полиэтилена, фторопласта и алюминиевого электрода (0,3 - 0,6), 0,2 и 0,1 м соответственно.
При уменьшении толщины полиэтиленового диэлектрика вклад сигнала от гамма-излучения в сигнал ДВР уменьшается, но при этом значительно возрастает электрическая емкость детектора.
Недостатками известной конструкции ДВР являются либо высокая чувствительность к гамма-излучению, либо высокая электрическая емкость детектора.
Другим недостатком известной конструкции является отсутствие возможности компенсации сигнала от гамма-излучения.
Известна конструкция ДВР, состоящая из размещенных в металлическом корпусе двух электродов, выполненных в виде пластин из материала с низким атомным номером, разделенных между собой водородсодержащим диэлектриком и корпусом-диэлектриком, не содержащим атомов водорода с эффективным атомным номером, не превышающим атомного номера материала корпуса и электродов.
В данной конструкции ДВР компенсация сигнала от гамма-излучения осуществляется при толщинах полиэтиленового диэлектрика < 0,2 мм при измерении разности потенциалов на нагрузочных сопротивлениях обоих электродов. Однако при таких толщинах зависимость чувствительности от энергии в интервале энергий нейтронов, образующихся в активной зоне ядерных реакторов, имеет сложный вид и требует тщательного изучения для введения в показания детектора поправки, учитывающей распределение нейтронов по энергиям. Экспериментальное определение зависимости чувствительности от энергии нейтронов в требуемом интервале затруднено ввиду отсутствия источников с высоким (>10⁹ ) выходом моноэнергетических нейтронов. С другой стороны для полиэтиленового диэлектрика толщиной, значительно превышающей длины пробегов протонов отдачи, зависимость чувствительности ДВР К_п от энергии нейтронов Е_п в требуемом интервале может быть описана функцией вида K_п(E_п) = KE_п,где K - постоянная характеристика детектора
Такое представление энергетической чувствительности облегчает ее экспериментальное исследование, которое может быть проведено как в нейтронных полях с известным распределением нейтронов по энергиям, так и на генераторе нейтронов с энергией 14 МэВ. Однако при таких толщинах водородсодержащего диэлектрика рассматриваемая конструкция ДВР утрачивает способность компенсировать сигнал от гамма-излучения, что приводит к низкой точности регистрации нейтронов.
Недостатком этой конструкции ДВР является низкая точность определения плотности потока нейтронов вследствие либо низкой точности определения зависимости чувствительности от энергии нейтронов, либо высокой чувствительности к гамма-излучению.
Из известных конструкций ДВР наиболее близкой по технической сущности к изобретению является детектор с водородсодержащим рассеивателем, содержащий размещенные в металлическом корпусе два электрода, один из которых заключен между двумя слоями диэлектриков, один из которых выполнен из водородсодержащего материала, а другой - из материала, не содержащего атомов водорода, второй электрод установлен со стороны водородсодержащего диэлектрика вплотную к нему, толщиной, превышающей длину пробега протонов отдачи в нем. С другой стороны второй электрод отделен от корпуса слоем диэлектрика, не содержащего атомов водорода, с эффективным атомным номером, не превышающим атомного номера материала корпуса и электродов.
В данной конструкции сопряженный с обеих сторон с полиэтиленовыми радиаторами электрод служит для компенсации сигнала от гамма-излучения, возникающего на каждом из электродов вследствие нарушения электронного равновесия между водородсодержащим и неводородсодержащим диэлектриками.
Сигнал от нейтронов этого электрода обусловлен разностью токов протонов отдачи в водородсодержащих диэлектриках, которая возникает вследствие ослабления нейтронного потока. Ввиду того, что толщина водородсодержащих диэлектриков выбирается больше пробегов протонов отдачи, а с увеличением энергии нейтронов длины пробегов протонов отдачи увеличивается быстрее, чем уменьшается сечение рассеяния на атомах водорода, при энергиях нейтронов выше 1 Мэв на гамма-чувствительном компенсационном электроде этой конструкции возникает сигнал от нейтронов, величина которого составляет несколько процентов от величины сигнала на нейтроночувствительном втором электроде и увеличивается с увеличением энергии нейтронов.
Недостатком этой конструкции ДВР является низкая точность регистрации нейтронов со средней энергией выше 1 МэВ.
Другим недостатком известной конструкции является, низкая точность компенсации сигнала из гамма-излучения вследствие недостаточной величины предела линейности амплитудной характеристики гамма-чувствительного электрода, определяемой величиной проводимости полиэтилена под облучением.
Цель изобретения - увеличение точности регистрации импульсного излучения нейтронов со средней энергией выше 1 МэВ при сохранении возможности компенсации сигнала от гамма-излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в детекторе с водородсодержащим рассеивателем, содержащем размещенные в металлическом корпусе два электрода, один из которых заключен между двумя слоями диэлектриков, один из которых выполнен из водородсодержащего материала, а другой - из материала, не содержащего атомов водорода, согласно изобретению второй электрод установлен со стороны неводородсодержащего диэлектрика вплотную к нему, причем детектор дополнительно содержит диэлектрик, выполненный из неводородсодержащего материала и расположенный между дополнительным электродом и корпусом вплотную к ним.
Такое конструктивное выполнение детектора с водородсодеpжащим расссеивателем позволяет увеличить точность регистрации импульсного излучения нейтронов со средней энергией выше 1 Мэв и сохранить возможность компенсации сигнала от гамма-излучения за счет исключения вклада сигнала от нейтронов в сигнал гамма-чувствительного электрода и за счет увеличения предела линейности амплитудной характеристики гамма-чувствительного элемента, так как в этой конструкции он определяется величиной проводимости неводородсодержащего диэлектрика, которая, например, для фторопласта выше, чем для полиэтилена.
На фиг. 1 показан предлагаемый детектор и схема включения его в измерительную цепь; на фиг. 2 - осциллограммы сигналов на каждом из электродов детектора.
Детектор с водородсодержащим рассеивателем состоит из сигнального электрода 1, выполненного в виде пластины из алюминия толщиной 0,1 мм, достаточной для поглощения всех протонов отдачи, но много меньшей величины пробега комптоновских электронов, и расположенного внутри алюминиевого корпуса 2 с толщиной стенок не менее 3 мм. Электрод 1 окружен двумя слоями диэлектриков, один из которых 3 выполнен из полиэтилена (водородсодержащего материала) в виде пластины толщиной 1,6 мм, превышающей во много раз ( 50) длину пробегов протонов отдачи, а другой - из фторопластовой пластин 4 толщиной 0,2 мм, не превышающей длину пробегов комптоновских электронов. Со стороны диэлектрика 4 вплотную к нему установлен второй гамма-чувствительный электрод 5, выполненный из алюминия в виде пластин толщиной 0,1 мм. Электрод 5 разделен с корпусом 2 фторопластовым диэлектриком 6 (также не содержащем водород), выполненным в виде пластины толщиной 2 мм. Электровыводы снабжены изоляторами 7.
Регистрация сигналов осуществляется осциллографическим регистратором 8. Электрические цепи каждого из электродов 1 и 5 шунтированы на землю нагрузочными сопротивлениями 9 и 10 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
При облучении нейтронами со стороны, например, неводородсодержащего диэлектрика 3 в электрической цепи электрода 1 возникает, за счет переноса заряда протонов отдачи в водородсодержащем диэлектрике, электрический ток. При облучении гамма-квантами с той же стороны происходит нарушение электронного равновесия между веществами с различными эффективными атомными номерами, т. е. между водородсодержащим и неводородсодержащим веществами, вследствие чего на электродах 1 и 5 возникает сигнал противоположный по знаку сигналу от протонов отдачи в цепи электрода 1. Электрические токи в цепях электродов 1 и 5 создают падение напряжения на сопротивления 9 и 10, величины которых R₉ и R₁₀cоответственно выбраны из известных соотношений:
R₉ K ₁= R₁₀K ₅
R₉C₉ < <
R₁₀C₁₀< < , где K ₁ , K ₅ - чувствительности к гамма-излучению электродов 1 и 5 соответственно;
С₉, С₁₀ - электрические емкости цепей сопротивлений 9 и 10 соответственно;
- время нарастания (убывания) фронта импульса излучения.
При регистрации разности потенциалов на сопротивлениях 9 и 10 дифференциальным осциллографическим регистратором 8 происходит компенсация сигнала от гамма-излучения в электрической цепи электрода 1.
На фиг. 2 представлены осциллограммы сигналов на электродах 1 и 5 (сигналы 11 и 12 соответственно) описанного выше устройства при одинаковых коэффициентах усиления.
Предложенный детектор с водородсодержащим рассеивателем по сравнению с образцами аналогичных устройств позволяет увеличить точность регистрации временной зависимости плотности потока нейтронов со средней энергией выше 1 МэВ в гамма-нейтронных импульсных полях на (3 - 7)% в зависимости от энергетического состава нейтронов. Устройство позволяет также сохранить возможность компенсации сигнала от гамма-излучения.
Испытания предложенной конструкции детектора с водородсодержащим рассеивателем показали его работоспособность. (56) Авторское свидетельство СССР N 713293, кл. G 01 T 3/00, 1979.
Авторское свидетельство СССР N 897018, кл. G 01 T 3/00, 1982.