Эмиссионный детектор для измерения нейтронов и гамма излучения и способ его изготовления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 Т 1/28, С 01 Т 3/00 ЕНИ 904881, кл.950-390,940627, кл.950-390,ОР ДЛЯ ИЗМЕРЕЗЛУЧЕНИЯ И СНО- ектор для.измен рах ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 1(56) Патент США У 3375370, кл, 950833, опублик. 1968,Патент США 9 3опублик. 1975.Патент США 9 3опублик. 1976.Емельянов И.Я. и др. Некоторыеэлектрические свойства конструктивных элементов электронно-эмиссионныхнейтронных датчиков и малогабаритных.Авторское свидетельство СССРВ 331731, кл, 0 01 Т 1/28, 1971.Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений. Детекторы нейтронов Каталог В/О "Изотоп", 11974(54) ЭМИССИОННЫЙ ДЕТЕКТНИЯ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-ИСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) 1. Эмиссионный детрения нейтронов и гамма-излучения,состоящий из эмиттера, электрическогоизолятора и коллектора, о т л и ч а ю ретение относится к эмиссионекторам нейтронов и гамма-излуиспользуемым в атомных реаки к способу их изготовления80871646 щ и й с я тем, что, с целью улучшения метрологических характеристик и повышения надежности, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала коллектора, и порошкообразного материала, например, из Ы 20 з или Егг 07, БшОз 1 ЕцгО з, ПУг 07, ТЬг 09, Нйг 07, 1 тг 07, УЪОь Вг 07; 1 гОь НОг СоО, СЙО, 110, ТЬОг, Со или их смеси,2. Способ изготовления детектора по и. 1, состоящий в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналов п 7 тем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора - с оболочкой кабеля, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, берут трубу-заготовку эмиттера, засыпают в нее порошкообразный материал эмиттера, герметизируют по концам, устанавливают коаксиально в трубу-заготовку коллектора, изолируют их электроизоляцинным материалом, производят ре протяжку заготовки детектора до тре-) буемого диаметра, отжигают для снятия наклепа и разрезают полученный кабель на отрезки необходимой длины.3. Способ по п. 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что порошкообразный . налолнитель предварительно смешивают с изоляционным материаломнапри-. мер Мф). Известен детектор нейтронов, сос. тоящий из металлического эмиттера, металлического коллектора и разделяющего их электрического изолятора. Ис50 пользование металлического эмиттера вуказанной конструкции существенно сокращает класс возможных эмиттерныхматериалов, поскольку существует целый ряд элементов, либо не образующихметаллических соединениий, либо имеющих в металлическом состоянии высокую химическую. активность, но обладающих ценными, с точки зрения детектирования нейтронов и гамма-квантов,ядерно-физическими свойствами,Известен также детектор нейтронов,в котором эмиттер выполнен в видечастиц порошка, которые перемешаныи заключены.в электроизолирующую трубку, иоторая, в свою очередь, помещена в металлическую. оболочку-коллектор.Для передачи сигнала детектора вовнешнюю схему используется электрапроводящая жила, проходящая черезпорошковый материал .эмиттера. Недостатком такой конструкции являетсяплохой контакт между порошковым эмиттером и сигнальной жилой, посколькупорошковые материалы обладают, какправило, диэлектрическими свойствами,а также малая удара- и термопрочность и наличие запаздывающих фоновыхтоков, обусловленных бетаизлучеКием,За прототип принят детектор нейтронов, состоящий из,нейтронно-чувствительного эмиттера, коллектора, окружающего эмиттер, и электрическогоизолятора между эмиттероми коллектором. Эмиттер состоит из порошка,содержащего рений и тулий, заключенного внутри металлической трубки нзциркония или хромоникелевого сплава,а электрический контакт между. порошковым наполнителем и металлическойоболочкой эмиттера,создается эасчет механического контакта, Недостатком этой конструкции являетсяограниченность в выборе материалов,примененных в качестве порошковыхнаполнителей эмиттеров и их металли, ческих оболочек. Причем применениеразнородных металлов для оболочкиэмиттера и коллектора создает принагреве эмиссионных. детекторов термические напряжения, способствующиепреждевременному разрушению и выхо ду их из строя.При нагреве таких детекторов могутвозникать значительные термо-ЭДС между эмиттером и коллектором, что вслучае снижения сопротивления изоля 10 15 20 25 30 35 40 45 ции при высоких температурах может вызвать в детекторе значительные фоновые токи, отрицательно влияющие наточность измерений. Применение порошковых наполнителей эмиттеров не обеспечивает достаточного теплового контакта с оболочкой эмиттера и можетвызвать местный радиационный перегрев порошка и выход детектора изстроя. Необходимость в электрическомконтакте между порошком и оболочкойэмиттера, создаваемом за счет механического контакта, также являетсянедостатком укаэанной конструкции,т.к. такой контакт невозможно обеспечить в случае применения порошковс диэлектрическими свойствамч.Известен способ изготовления бетамиэмиссионного детектора нейтронов(БЭДН), в котором в качестве чувствительного элемента используют гстовыйкабель с жилой из серебра, а в качестве трассы, передающей сигнал от детектора я измерительным приборам,готовый кабель с магнезиальной изоляцией с центральной жилой из сталиОХ 18 Н 10 Т.Соединение детектора с кабелемосуществляется сваркой посредствомгерметичного узла стыковки, содержащего промежуточные стальные втулкии изоляционную втулку из корундавойкерамики, При этом за счет стыковкипроисходит увеличение наружного диаметра БЭДН,Известен способ изготовления БЭДНбез узлов стыковки, не из готовыхкабелей. При этом берут заготовкицентральных жил и сваривают между забой через третий промежуточный металлпалладий. Затем на сваренную заготов-,ку нанизывают прессованчые шашки изокиси магния, устанавливают ее вместе с шашками в трубу нз стали ОХ 18 Н 10 Тн проводят волочение по технологии,разработанной для изготовления кабелей с магнезиальной изоляцией,Известен также способ изготовления детекторов нейтронов с эмиттерами из радия, серебра, ванадкя, кобальта, платины и др. металлов, Так, например, проволоку из радия помещаютв кварцевую трубку-изолятор и всевместе - в стальную оболочку,Детектор не обладает достаточной,гибкостью, плохо противостоит "ударам и вибрации. В качестве трассы ре .комендуется использовать кабель марки. КНИСС. Соединение с трассой выполпя"ется потребителеМВсе рассмотренные способы изготовления имеют общие существенные при 5. знаки:в качестве эмиттера применяют металл в виде проволоки;эмиттер,устанавливают в герметичную металлйческую оболочку-коллектор; 0изолируют эмиттер .от коллекторакерамической изоляцией, газовым иливоздушным зазором,Известные способы обладают низкой технологичностью, не позволяютиспользовать в качестве эмиттера большой класс элементовлибо не образующих металлических соединений, либоимеющих вметаллическом состояниивысокую химическую активность илн низ 20кие технологические свойства (неспособность коваться, прокатываться,свариваться и т.д.1, но обладающихценными ядерными свойствами и необходимой радиационной стойкостью, К . 25таким элементам относятся. гадолиний,эрбий, самарий, европий, диспрозий,тербий, иттербий, уран, торий, иридий, бор, литий, кобальт, кадмий, .гафний и др. Из них группа так казы- ЗОваемых редкоземельных элементов, атакже делящиеся элементы обладают высочайшей химической активностью,Если оценить их химическую активность, например, по изобарному потен. циалу реакции окисления, то они имеютсамый высокий отрицательный потенциализ всех известных в природе элемсн+.тов. Такие элементы активно взаимодействуют не только с газами кисло Ородом, азотом, водородом и др.,), но.и с любыми элементами и их еоедине. ииями, а также с конструкционнымиматериалами, Промышленное производство этих элементов в чистом виде весьма затруднительно, поэтому их получают в виде устойчивых химическйхсоединенийИзготовление оболочек и змиттеровиз раэнородйых металлов создает принагреве эмиссионных детекторов терми.ческие напряжения, способствующие ..преждевременному разрушению и выходуих из строя. При нагреве таких эмиссионных детекторов могут возникатьзначительные термо-ЭДС между эмит 55.тером и коллектором, что в случаеснижения сопротивления изоляции при:высоких температурах может вызвать в детекторе значительные фоновыетоки. Все это является причинамиограничейного применения многих элементов в качестве эмиттеров в виде .металлиЧеских прутков и жил для кабельных эмиссионных детекторов.Прототипом является известныйспособ изготовления бета-эмиссионного детектора нейтронов (БЭДН состоящий в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналовпутем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора -с оболочкой кабеля, т.е. берут заготовку эмиттера в виде проволокиили стержня из серебра, устанавливают в трубу-заготовку кабеля, служащую в дальнейшем коллектором, изолируют друг от друга порошкообразнойизоляцией, преимущественно из окисимагния, и подвергают многократному волочению с прбмежуточными отжигамидля снятия наклепа,Прототип не обеспечивает изготовлениянадежных детекторов с высокими метрологическими характеристиками,Цель изобретения в . улучшение метрологических характеристик и повышение надежности детекторов.Указанная цель достигается тем,что в эмиссионном детекторе дляизмерения энерговыделения, состоящемиз эмиттера, электрического изолятораи коллектора, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала коллектора, заполненной порошкообраз-.ным материалом, например, 6 Й Оу илиЕгзОу, Яшар, Еи Оу Ву Оу ТЬОу рф Тг 20 ф О ф ВО фО фСОЗОФф НКОхф СйО , ПВОдф ТЬ 02 ф Соили их смесью, а в способе изготовления, состоящем в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачисигналов путем соединения эмиттера сцентральной жилой кабеля, а коллектора - с .оболочкой кабеля, берут трубу-заготовку эмиттера, засыпают внее порошкообразный материал эмиттера, герметизируют по концам, устанавливают ее коаксиально в трубу-заготовку коллектора, изолируют их электроизоляционным материалом, производят,буемого диаметра,. отжигают для сня;тия наклепа и разрезают полученныйкабель на отрезки необходимой длины,рительно смешивают с изоляционнымматериалом, преимущественно МяО,Перечисленные высшые окислы элементов термэдинамически устойчивыв условиях изготовления и эксплуата- .ции, а также в сочетании с любымиконструкционными материалами. Порошокхорошо заполняет любую форму, вместес оболочкой легко подвергается протяж 10ке волочением илн прокаткой, Выполнение оболочки эмиттера иэ материалаколлектора облегчает выбор режиматермообработки, исключает. температурные.деформации прн изготовлении иэксплуатации, а также искшочает возникновение паразитных термотоков. Такая конструкция значительно технологичней и проще в изготовлении,На чертеже .изображен. детектор,П р и м е рВыпи изготовленыобразцы детекторов 6-ти типов (см.чертеж), )аждьй образец представляетсобой кабель с наружной 1 коллектор)и внутренней .2 оболочками из стали 25ОХ 18 Н 10 Т, отделенными друг от другамагнеэиальной изоляцией,З. Размерыоболочек ЗХО,З и 1,5 Х 0,25 мм, наружной и внутренней соответственно. Длина образцов около 9 м. ЗОВнутренние оболочки образцов заполнеЩ спресованным порошкообразнымэмиттерным материалом 4, представляющим собой один из окислов ОЙО, ЕюО,НЯО, 008, а также концентрат РЗК по ТУ 48-4-382-76. В качестве эмиттер-ного материала могут быть.использованы и другие высшие окислы, обладающие ценными ядерными свойствами.)абель-детектор соединен с кабельтрассой, например, марки КНИСС, тогоже диаметра. Стальная жила кабеля 5приварена к заглушке 6 эмйттера, аколлектор 1 соединен с наружной оболочкой трассы 7 через втулку 8. К про тивоположному концу детектора прива-.рена заглушка 9.Образцы изготовляли следующим спо собом.Один из окислов нли редкоземельный .концентрат засыпали в трубку 2 из стали ОХ 18 Н 10 Т диаметром 5 мм с толщиной стенки 0,5 мм, Затем трубку 2 снаполнителем 4 устанавливали концентрично в заготовку оболочки 1 ка 55беля диаметром 12 мм с толщиной стен, ки 0,6 мм, а зазор между ними заполняли магнезиальной изоляцией 3, Длинузаготовки выбирали в зависимости от необходимой конечной длины кабеля от150 до 1500 мм, Заготовки подвергалимногократному циклу "волочение-отжиг" или прокатке) до получения кабе"ля диаметром 3,0 мм длиной до 9,0 мм,Полученный кабель-детектор соединяли с трассой для передачи, сигналаиз кабеля марки КНИСС того же диаметра. Для этого стальную жилу 5 кабеляприваривали к заглушке 6 эмиттера,а коллектор 1 с наружной оболочкойтрассы 7 соединяли сваркой через дополнительную втулку 8 из той же стали. В месте стыковки зазоры заполняли кварцевой нитью. Противоположныйконец детектора заваривался герметично с помощью заглушки 9,Для получения кабеля с наружнымдиаметром меньше 3 мм в отдельных случаях порошкообразный материал эмиттера смешивали с окисью магния в соотношенйи 1 ф 1. Это позволяло повыситьдеформационную способность кабеля икачество оболочки,Преимуществом предложенных детекторов является улучшение.их метрологических характеристик по сравнениюс существующими детекторами:обеспечение безынерционности сигнала;повышение точности измерения .засчет исключения термо-ЭДС и вызванных ею фоновых токов, а также за счетуменьшения потока паразитных бета-.частиц, вылетающих из эмиттерногоматериала и поглощаемйх оболочкойэмиттера,Предложенные детекторы обладаюттакже повышенной термостойкостйюа следовательно, и повышенной надежностью:за счет исключения термическихнапряжений, которые всегда возникаютв существующих детекторах при нагреве, если эмиттер и коллектор изготовлены из разнородных материалов;за счет снижения радиационного нагрева порошка, эмиттера вследствиеулучшения теплового контакта междупорошком и оболочкой эмиттера при уплотнении порошка в процессе воло-.чения;за счет исключения химическоговзаимодействия между эмиттером и коллектором и между оболочкой эмиттераи порошком эмиттера.Кроме того, их преимуществом является также расширение технологических1 О 871646 Редактор М. Ленина Техред Л.Олийнык Корректор Н. Корол Подписи 770 Тираж 302Государственного комитета по и 113035, Москва, Ж,В открытиям при ГКНТ ССС д, 4/5 бретениям аушская н Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул, Гагарина, 101возможностей за счет использования широкого класса:материалов с ценными ядерными свойствами и упрощение техно.логии .их изготовления,Проведенные исследования, в частности, показали, что. реакция детекторов на изменения плотности потока нейтронов является. мгновенной (практи.ческая безынерционность по основномутокообразующему процессу), а их чувствительность к нейтронам того же порядка, что и у детектора ДПЗс родиевым эмиттером,2