RU2469352C1

RU2469352C1 - Neutron detector

Info

Publication number: RU2469352C1
Application number: RU2011123249/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Микеров
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: neutron detector has a source of charged particles arising under the action of neutron radiation and an elastic member, wherein the source of charged particles is made from stable, non-radioactive material. A charged particle absorber is placed opposite the source of charged particles. At least one optical fibre with a reflecting end face is placed in the housing of the sensor. An optical mirror is mounted on the elastic member.

EFFECT: avoiding fissile material, eliminating restrictions on measured flux and fluence, high noise-immunity, high reliability of measurements and the neutron detector, enabling measurement of the time dependency of flux in case of pulsed neutron sources, providing the required triggering threshold by optical means when starting up the detecting equipment, enabling multiple use and easy technical implementation.

2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of measuring equipment, namely to metrology of neutron radiation in the presence of background radiation and electromagnetic interference, and can be used in control systems and protection of nuclear reactors, subcritical assemblies, pulsed and other neutron sources, in scientific research.

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 г. 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.Known neutron detector, which contains a resistive element in the form of tablets of fissile material with low thermal conductivity and high electrical resistivity. Under the action of radiation, the element heats up and its electrical resistance, which is measured, changes. Patent of the Russian Federation No. 1526403, IPC G01T 3/00, 1997. The disadvantages of the analogue are the use of radioactive materials, the low level of the generated electrical signal, low noise immunity to electromagnetic interference, and the inability to provide the required threshold for triggering neutron fluence by non-electric means.

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 г. 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.Known neutron detector, including a housing filled with a luminescent gas medium and fissile material, and a photodetector. At one of the ends of the housing there is a fiber light guide connected to the recording system by means of a photodetector with a filter, while fissile material is made in the form of a layer and deposited on the side surface of the housing. Utility model of the Russian Federation No. 30008, IPC G01T 1/16, 2003. The disadvantages of the analogue are the use of radioactive materials, low detection efficiency due to the relatively small cross section of the fission reaction, the inability to provide non-electric means with the required threshold for neutron fluence, and energy dependence.

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 г. Прототип.Known neutron detector containing a sensitive element of a material, which includes fissile material under the influence of neutrons, and a non-volatile energy converter with an electrical output, in which the sensitive element is made of material with a shape memory effect, the non-volatile converter includes two identical piezoelectric generators, electrically switched on counter-parallel, while the sensitive element is installed with the possibility of interaction with these generators in p otsesse shape recovery when exceeding a critical level neutron flux additionally introduced through a resilient member mechanically coupled to the sensor element and arranged with gaps between piezoelectric generators. Patent of the Russian Federation No. 2332689, IPC G01T 3/00, 2008. Prototype.

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.The disadvantages of the prototype are the use of fissile material, low detection efficiency due to the relatively small cross section of the fission reaction, the inability to reuse and change the response threshold without replacing the sensitive element and the porous holder, limited speed, the inability to measure the time dependence of the flux in the case of pulsed neutron sources, the complexity of manufacturing and a large number of structural elements.

Задачей изобретения являются исключение из конструкции делящегося вещества; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы, создание энергонезависимого нейтронного датчика, менее чувствительного к фоновым излучениям и электромагнитным наводкам, обеспечение неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания, измерение временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников.The objective of the invention is the exclusion from the design of fissile material; removing restrictions on the measured fluxes and fluences, creating a non-volatile neutron sensor less sensitive to background radiation and electromagnetic interference, providing non-electric means with the required threshold, measuring the time dependence of the flux in the case of pulsed neutron sources.

Техническим результатом является исключение делящегося вещества; снятие ограничений на измеряемые потоки и флюенсы; повышение помехозащищенности, достоверности измерений и надежности детектора нейтронов; возможность измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение оптическими средствами требуемого порога срабатывания при запуске регистрирующей аппаратуры; многократность использования; упрощение технической реализации.The technical result is the exclusion of fissile material; removal of restrictions on measured flows and fluences; increase of noise immunity, reliability of measurements and reliability of a neutron detector; the ability to measure the time dependence of the flux in the case of pulsed neutron sources; providing optical means of the required response threshold when starting recording equipment; multiple use; simplification of technical implementation.

Технический результат достигается тем, что в нейтронном датчике, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругий элемент, источник заряженных частиц выполнен из стабильного не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, в корпусе датчика установлено, по крайней мере, одно оптическое волокно с гладким торцом, а на упругом элементе установлено оптическое зеркало.The technical result is achieved by the fact that in a neutron sensor containing a source of charged particles arising under the influence of neutron radiation, and an elastic element, a source of charged particles is made of stable non-radioactive material, a charged particle absorber is installed opposite the source of charged particles, at least one optical fiber with a smooth end, and an optical mirror is mounted on the elastic element.

Нейтронный датчик, содержащий источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и упругий элемент, отличающийся тем, что источник заряженных частиц выполнен из стабильного не радиоактивного материала, напротив источника заряженных частиц установлен поглотитель заряженных частиц, в корпусе датчика установлено, по крайней мере, одно оптическое волокно с отражающим торцом.A neutron sensor containing a source of charged particles resulting from neutron radiation, and an elastic element, characterized in that the source of charged particles is made of a stable non-radioactive material, a charged particle absorber is installed opposite the source of charged particles, at least one optical fiber with a reflective end.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2.The invention is illustrated in FIG. 1 and 2.

На фиг.1 схематически изображен нейтронный датчик, где 1 - корпус датчика, 2 - упругий элемент в виде цилиндрической пружины растяжения, 3 - поглотитель заряженных частиц, 4 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 5 - оптическое волокно, 6 - зеркально отражающий слой (отражающий элемент).Figure 1 schematically depicts a neutron sensor, where 1 is the sensor housing, 2 is an elastic element in the form of a cylindrical tension spring, 3 is an absorber of charged particles, 4 is a source of charged particles resulting from neutron radiation, 5 is an optical fiber, 6 is specularly reflective layer (reflective element).

На фиг.2 представлен пример реализации измерения перемещения поглотителя заряженных частиц 3, закрепленного на упругом элементе 2, при накоплении электрического заряда, где 7 - оптический разветвитель, 8 - волоконный световод, 9 - торец оптического волокна 5, 10 - волоконный световод, 11 - источник света (светоизлучающий диод), 12 - фотоприемник (фотодиод), 13 - направление перемещения поглотителя 3 при накоплении заряда.Figure 2 presents an example of the measurement of the movement of the absorber of charged particles 3, mounted on the elastic element 2, with the accumulation of electric charge, where 7 is an optical splitter, 8 is an optical fiber, 9 is an end of the optical fiber 5, 10 is an optical fiber, 11 is light source (light emitting diode), 12 - photodetector (photo diode), 13 - direction of movement of the absorber 3 during charge accumulation.

Нейтронный датчик работает следующим образом.The neutron sensor operates as follows.

Нейтроны, попадающие в материал источника заряженных частиц 4, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, часть из которых выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3. Источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Между ними возникает сила электрического притяжения, которая растет по мере увеличения заряда. Источник заряженных частиц 4 и поглотитель заряженных частиц 3 растягивают упругий элемент 2 и приближаются друг другу. Расстояние между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3 тем меньше, чем больше величина накопленного поглотителем/источником заряда.Neutrons falling into the material of the source of charged particles 4 cause a nuclear reaction and radiation of charged particles, some of which also go towards the absorber of charged particles 3. The source of charged particles 4 and the absorber of charged particles 3 gain a charge of opposite signs. Between them there is a force of electrical attraction, which increases with increasing charge. The source of charged particles 4 and the absorber of charged particles 3 stretch the elastic element 2 and approach each other. The distance between the source of charged particles 4 and the absorber of charged particles 3 is the smaller, the greater the amount of accumulated absorber / source of charge.

Перемещение поглотителя заряженных частиц 3 измеряют оптически с помощью интерферометра Фабри-Перо, образованного гладким торцом 9 оптического волокна 5 и поверхностью оптического зеркала 6. Излучение лазерного диода 11 вводят в волоконный световод 8 и через разветвитель 7 передают на оптическое волокно 5. При этом часть излучения отражается в обратном направлении от торца 9 оптического волокна 5, а другая его часть выходит через торец 9, отражается от поверхности оптического зеркала 6 и возвращается обратно в оптическое волокно 5. Луч, отраженный от торца 9 оптического волокна 5, интерферирует с лучом, отраженным от поверхности оптического зеркала 6, и поступает через разветвитель 7 и волоконный световод 10 на фотоприемник 12.The movement of the absorber of charged particles 3 is measured optically using a Fabry-Perot interferometer formed by a smooth end 9 of the optical fiber 5 and the surface of the optical mirror 6. The radiation of the laser diode 11 is introduced into the optical fiber 8 and transmitted to the optical fiber 5 through the splitter 7. it is reflected in the opposite direction from the end face 9 of the optical fiber 5, and its other part exits through the end face 9, is reflected from the surface of the optical mirror 6 and returns back to the optical fiber 5. The beam, ny 9 from the end of the optical fiber 5, interferes with the beam reflected from the surface of the optical mirror 6, and passes through the coupler 7 and the optical fiber 10 to a photodetector 12.

Интенсивность сигнала фотоприемника зависит от расстояния между торцом 9 и поверхностью оптического зеркала 6.The signal intensity of the photodetector depends on the distance between the end face 9 and the surface of the optical mirror 6.

Диапазон и точность измерения перемещений датчиком Фабри-Перо составляют, соответственно, несколько сотен микрометров и около 1 нм. С.А.Егоров, Ю.А.Ершов, И.Г.Лихачев, А.Н.Мамаев, «Волоконно-оптические датчики со спектральным кодированием на основе интерферометра Фабри-Перо». Письма в ЖТФ, 1992, т.18, вып.22, с.18-21.The range and accuracy of measuring displacements by the Fabry-Perot sensor are, respectively, several hundred micrometers and about 1 nm. S. A. Egorov, Yu. A. Ershov, I. G. Likhachev, A. N. Mamaev, “Fiber-optic sensors with spectral coding based on the Fabry-Perot interferometer”. Letters to the ZhTF, 1992, vol. 18, issue 22, p. 18-21.

Нейтронный датчик размещен в вакуумируемом корпусе 1. Корпус 1 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба. Откачивание воздуха из корпуса 1 датчика является необходимым условием его работоспособности. При наличии молекул воздуха между поглотителем заряженных частиц 3 и источником заряженных частиц 4 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным поляризацией молекул воздуха.The neutron sensor is housed in an evacuated housing 1. Housing 1 is pumped to a pressure of not more than several tens of millimeters of mercury. Pumping air from the sensor housing 1 is a prerequisite for its operability. In the presence of air molecules between the absorber of charged particles 3 and the source of charged particles 4, the strength of the electric field between them is compensated by the field due to the polarization of air molecules.

Восстановление исходного состояния датчика происходит за счет компенсации электрических зарядов источника заряженных частиц 4 и поглотителя заряженных частиц 3 при их соприкосновении при накоплении достаточного для этого заряда или в результате электрического разряда, возникающего между источником заряженных частиц 4 и поглотителем заряженных частиц 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель снабжен заостренным электродом (не показан).The restoration of the initial state of the sensor occurs due to compensation of the electric charges of the source of charged particles 4 and the absorber of charged particles 3 when they come in contact with the accumulation of sufficient charge for this or as a result of an electric discharge occurring between the source of charged particles 4 and the absorber of charged particles 3 when the potential difference between they are higher than the breakdown voltage. For this, the source and / or absorber is equipped with a pointed electrode (not shown).

Чувствительность нейтронного датчика зависит от материала, толщины и площади слоя источника заряженных частиц 4, площади поглотителя заряженных частиц 3, степени жесткости упругого элемента 2.The sensitivity of the neutron sensor depends on the material, the thickness and the area of the layer of the source of charged particles 4, the area of the absorber of charged particles 3, the degree of rigidity of the elastic element 2.

Материал источника заряженных частиц 4 определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника в сторону поглотителя 3. Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника 4 с точки зрения максимального выхода заряда на единичный нейтрон являются изотопы В¹¹ и Са⁴⁰.The material of the source of charged particles 4 determines the number of unit charges leaving the source towards the absorber 3. Calculations show that the best materials for source 4 from the point of view of maximum charge output to a single neutron are isotopes B ¹¹ and Ca ⁴⁰ .

Поскольку поток быстрых нейтронов практически не меняется по глубине слоя источника заряженных частиц 4, чувствительность датчика увеличивается при увеличении толщины слоя источника до толщины примерно 100 мкм в случае В¹¹ и 1500 мкм в случае Са⁴⁰ и далее остается постоянной. 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.Since the fast neutron flux practically does not change along the depth of the layer of the source of charged particles 4, the sensitivity of the sensor increases with increasing thickness of the source layer to a thickness of about 100 μm in the case of B ¹¹ and 1500 μm in the case of Ca ⁴⁰ and further remains constant. The cross section for thermal neutrons for boron B ¹¹ and Ca ⁴⁰ , which leads to the creation of charged particles, is negligible compared to the cross section for fast neutrons. This provides a low sensitivity of the sensor to the background radiation of thermal neutrons. The sensitivity to background gamma radiation is also extremely low due to the low probability of nuclear reactions under the influence of gamma radiation with the birth of charged particles.

В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона.The table shows the maximum yields of a unit charge from these materials per one fast neutron falling into them, calculated for different neutron energies.

ТаблицаTable Энергия нейтрона, МэВNeutron Energy, MeV Материал источникаSource material В¹¹ At ¹¹ Са⁴⁰ Sa ⁴⁰ 1one 3.2Е-53.2E-5 8.3Е-78.3E-7 1,51,5 6.6Е-56.6E-5 1.2Е-61.2E-6 2,52.5 8.7Е-58.7E-5 1.2Е-51.2E-5 4four 6.4Е-56.4E-5 2.4Е-52.4E-5 66 8.5Е-58.5E-5 1.6Е-41.6E-4 1010 8.5Е-58.5E-5 3.8Е-43.8E-4 14,514.5 1.7Е-41.7E-4 4.1Е-44.1E-4

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 него тепловых нейтронов. Вторым по количеству выходящих зарядов является кадмий и его изотоп Cd¹¹³.In the case of a thermal neutron sensor, the source material is gadolinium and its isotopes Gd ¹⁵⁵ and Gd ¹⁵⁷ , which, among all existing elements, have a maximum macroscopic neutron absorption cross section. When using gadolinium, the thermal neutron flux density decreases sharply with distance from the surface of the source layer to the depth of the layer. For this reason, there is a thickness of the source layer at which the yield of charged particles is maximum. In the case of natural gadolinium, this thickness is about 10-12 microns. The fraction of electrons leaving this gadolinium layer during the isotropic distribution of the neutron flux is about 10% of the number of thermal neutrons incident on it. The second most outgoing charge is cadmium and its isotope Cd ¹¹³ .

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.The cross section for the interaction of gadolinium and its isotopes Gd ¹⁵⁵ and Gd ¹⁵⁷ , as well as cadmium and its isotope Cd ¹¹³ with fast neutrons and gamma radiation is negligible compared to the cross section for thermal neutrons. A sensor with a source of charged particles from these elements is a thermal neutron sensor that is practically insensitive to fast neutrons and gamma radiation.

Упругим элементом могут служить витая цилиндрическая пружина или спиральная пружина, или торсионная пружина, или оболочечная пружина.An elastic element may be a coil spring or coil spring, or a torsion spring, or a shell spring.

Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, обладающего минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Одним из таких материалов является, например, графит.The absorber of charged particles 3 is made of a material with good electrical conductivity, which has a minimum reflection coefficient (albedo) for charged particles incident on it. One such material is, for example, graphite.

Датчик не чувствителен к внешним электромагнитным наводкам, так как использует оптическое средство измерения.The sensor is not sensitive to external electromagnetic interference, as it uses an optical measuring tool.

Claims

A neutron sensor containing a source of charged particles resulting from neutron radiation and an elastic element, characterized in that the source of charged particles is made of a stable non-radioactive material, a charged particle absorber is installed opposite the source of charged particles, at least one optical fiber with a reflective end, and an optical mirror is mounted on the elastic element.