SU1702329A1

SU1702329A1 - Thermal neutron detector

Info

Publication number: SU1702329A1
Application number: SU904832325A
Authority: SU
Inventors: Евгений Константинович Малышев; Юрий Николаевич Пепелышев; Сергей Васильевич Чукляев; Евгений Павлович Шабалин
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации; Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1991-12-30

Abstract

Изобретение относитс к регистрации нейтронов и может быть использовано дл определени температуры нейтронов в замедлителе . Детектор содержит заключенные в корпусе три электрода, образующие с одним из них (общим электродом) два расположенных один за другим чувствительных объема. На поверхности электродов нанесен нейтроночувствительный материал эффективность взаимодействи которого с тепловыми нейтронами выше по сравнению с эффективностью взаимодействи с быстрыми и промежуточными нейтронами. Общий сигнальный электрод выполнен из двух одинаковых электрически соединенных элементов , разделенных пластиной из кадми . Детектор снабжен кадмиевым экраном с отверстием по оси детектора, сопр женным с отверстием коллиматора. Коллиматор выполнен из кадмиевого листа в виде набора аксиальных круговых цилиндров. Детектор позвол ет измерить температуру нейтронов в холодном замедлителе с повышенной точностью . 2 з.п ф-лы, 2 ил. ЁThe invention relates to neutron detection and can be used to determine the neutron temperature in a moderator. The detector contains three electrodes enclosed in a housing, forming with one of them (a common electrode) two sensitive volumes arranged one after the other. A neutron-sensitive material is deposited on the surface of the electrodes, the efficiency of which interaction with thermal neutrons is higher compared with the efficiency of interaction with fast and intermediate neutrons. The common signal electrode is made of two identical electrically connected elements separated by a cadmium plate. The detector is equipped with a cadmium shield with a hole along the axis of the detector, coupled with the hole of the collimator. The collimator is made of cadmium sheet in the form of a set of axial circular cylinders. The detector allows you to measure the neutron temperature in a cold moderator with increased accuracy. 2 з.п f-ly, 2 ill. Yo

Description

Изобретение относитс к технической физике, а точнее к регистрации нейтронов, может быть использовано при дистанционных измерени х потока тепловых нейтронов токовыми детекторами.The invention relates to technical physics, and more specifically to neutron registration, can be used for remote measurements of thermal neutron flux by current detectors.

Известно устройство дл регистрации тепловых нейтронов, содержащее детектор нейтронов, размещенный внутри кадмиевого экрана. Работа устройства основана на регистрации сигналов детектора в экране и без экрана, разность которых св зана с плотностью потока тепловых нейтронов.A device for recording thermal neutrons, containing a neutron detector located inside a cadmium shield, is known. The operation of the device is based on the registration of detector signals in the screen and without the screen, the difference of which is related to the thermal neutron flux density.

Известно также устройство дл регистрации тепловых нейтронов, содержащее детектор , размещенный внутри экрана, выполненного из эффективно поглощающего тепловые нейтроны материала, и сопр женный с отверстием в экране коллиматор. Работа этого устройства основана на статистическом анализе значений интервалов времени пролета нейтронов от источника до детектора.It is also known a device for detecting thermal neutrons, containing a detector, placed inside a screen made of a material that effectively absorbs thermal neutrons, and a collimator coupled to a hole in the screen. The operation of this device is based on a statistical analysis of the values of the neutron transit time from the source to the detector.

Недостатком устройства вл етс то, что дл получени необходимой информации о спектральном распределении требуетс производить регистрацию большого количества импульсов детектора от нейтронов , вылетающих из источника, что не поVIThe disadvantage of the device is that in order to obtain the necessary information about the spectral distribution, it is necessary to register a large number of detector pulses from neutrons emitted from a source that is not in accordance with VI

ОABOUT

ю со ю юyu yu yu

звол ет определить плотность потока нейтронов в одном импульсе источника.It is possible to determine the neutron flux density in a single source pulse.

Другим недостатком вл етс сложность аппаратуры статистического анализа.Another disadvantage is the complexity of the statistical analysis apparatus.

Наиболее близкой к изобретению вл етс вакуумна камера делени КНВК, содержаща размещенные в корпусе три электрода, образующие две расположенные одна за другой секции с общим сигнальным электродом, одна из которых снабжена Дел щимс под воздействием нейтронов Материалом, а друга используетс без нейтроночувствительного материала и чувствительна только к фоновому гамма-излучению .Closest to the invention is a vacuum chamber for dividing CNVCs containing three electrodes placed in a housing, forming two sections placed one after the other with a common signal electrode, one of which is equipped with a Sharing under the influence of neutrons by the Material, and the other is used without a neutron-sensitive material and is sensitive only to background gamma radiation.

Работа детектора основана на регистрации медленных вторичных электронов, выход щих из материала покрыти под воздействием продуктов делени в поле излучени нейтронов. Сигнал сопутствующего гамма-излучени вычитаетс в цепи сигнального электрода при подаче на два других электрода противоположных по знаку электрических напр жений питани . При использовании этого детектора в комплекте с кадмиевым экраном разность сигналов детектора в экране и без экрана св зана с эффективной плотностью потока тепловых нейтронов.The operation of the detector is based on the detection of slow secondary electrons emitted from the coating material under the influence of fission products in the neutron radiation field. The accompanying gamma radiation signal is subtracted in the signal electrode circuit when the two electrodes are applied opposite in sign to the electrical supply voltage. When using this detector in combination with a cadmium screen, the difference in detector signals in and without a screen is related to the effective density of the thermal neutron flux.

Недостатком этого устройства вл етс низка точность определени плотности тепловых нейтронов по разности сигналов камер в экране и без экрана на фоне зпитеп- ловых и быстрых нейтронов. Другой недостаток устройства - низка точность определени плотности потока тепловых нейтронов импульсным замедлителем ввиду вклада в показани детектора тепловых нейтронов, выход щих из различных элементов конструкции бокса дерного реактора .A disadvantage of this device is the low accuracy of determining the density of thermal neutrons from the difference between the signals of the cameras in the screen and without the screen against the background of thermal and fast neutrons. Another drawback of the device is the low accuracy of determining the thermal neutron flux density by a pulsed moderator due to the contribution to the detector readings of thermal neutrons emanating from various structural elements of the nuclear reactor box.

Цель изобретени - увеличение точности дистанционных измерений.The purpose of the invention is to increase the accuracy of remote measurements.

Поставленна цель достигаетс тем, что в детекторе тепловых нейтронов, содержащем заключенные в корпусе три электрода образующие с общим электродом два расположенные один за другим чувствительных объема, один из которых содержит нейтроночувствительный материал, эффективность взаимодействи которого с тепловыми нейтронами выше эффективности взаимодействи с эпитепловыми и быстрыми нейтронами, второй чувствительный объем содержит тот же нейтроночувствительный материал, а общий электрод выполнен из двух одинаковых электрически соединенных элементов, разделенных слоем эффективно поглощающего тепловые нейтроны материала толщиной, превышающей длину свободного пробега тепловых нейтронов в этом материале, при этом детектор дополнительно снабжен окружающим оба чувствительных объема экраном наThe goal is achieved by the fact that in a thermal neutron detector containing three electrodes enclosed in a housing, there are two sensitive volumes arranged one after the other with a common electrode, one of which contains neutron-sensitive material, the efficiency of interaction with thermal neutrons being higher than that of epithermal and fast neutrons. the second sensitive volume contains the same neutron-sensitive material, and the common electrode is made of two identical electrically connected elements separated by a layer of a material effectively absorbing thermal neutrons with a thickness exceeding the mean free path of thermal neutrons in this material, and the detector is additionally equipped with a screen around

эффективно поглощающего тепловые нейтроны материала с отверстием со стороны одного из чувствительных обьемов и сопр женным с отверстием коллиматором, ось которого пересекает оба чувствительныхan efficiently neutron-absorbing material with a hole on the side of one of the sensitive volumes and a collimator adjacent to the hole, the axis of which intersects both sensitive

0 объема, а коллиматор выполнен в виде набора аксиальных поверхностей круговых цилиндров, в котором отношение площади сечени каждого цилиндра большего диаметра , ограниченной сегментом этого ци5 линдра с касательной к поверхности соседнего внутреннего цилиндра в перпендикул рной оси плоскости сечени , к площади кругового сечени цилиндра минимального диаметра не превышает величины0 volume, and the collimator is designed as a set of axial surfaces of circular cylinders, in which the ratio of the cross-sectional area of each cylinder of a larger diameter, bounded by a segment of this cylinder with a tangent to the surface of the adjacent inner cylinder in the perpendicular axis of the cross-sectional plane, to the circular area of the cylinder of the minimum diameter does not exceed the value

0 квадрата отношени среднего значени высот образующих этого и соседнего внутреннего цилиндров к высоте образующей цилиндра минимального диаметра из материала , эффективно поглощающего тепло5 вые нейтроны0 squares of the ratio of the average value of the heights of the generators of this and the adjacent inner cylinders to the height of the generatrix of the cylinder of the minimum diameter from a material that effectively absorbs heat neutrons

На фиг.1 изображена схема предложенного детектора тепловых нейтронов на фиг.2 - вид А на фиг.1.1 shows a diagram of the proposed thermal neutron detector in figure 2 - view a in figure 1.

Детектор тепловых нейтронов (фиг.1)Thermal neutron detector (figure 1)

0 состоит из размещенных в герметичном корпусе 1 трех электродов 2-4, один из которых 3 выполнен из двух соединенных электрически элементов. Каждый элемент электрода 3 и электроды 2,4 представл ют0 consists of three electrodes 2-4 placed in a hermetic case 1, one of which 3 is made of two electrically connected elements. Each element of the electrode 3 and the electrodes 2.4 represent

5 собой набор дисков диаметром 44 и толщиной 0,4 мм, соединенных электрически и закрепленных на трех металлических стойках . Диски на периферии имеют вырезы дл прокладки стоек и выступы, которые при5 is a set of disks with a diameter of 44 and a thickness of 0.4 mm, connected electrically and mounted on three metal racks. The discs on the periphery have notches for laying racks and protrusions that, when

0 сборке электродной системы вход т в отверсти несущих стоек, загибаютс и привариваютс к последним точечной электросваркой . Отверсти в стойках расположены таким образом, что между соседнимиIn the assembly of the electrode system, they enter the holes of the supporting posts, bend and weld to the last spot welding. The holes in the racks are arranged in such a way that between adjacent

5 дисками разноименных электродов образуетс зазор 1,6 мм, а каждый диск электрода 3, за исключением двух крайних, оказываетс размещенным между дисками одного из двух других электродов, образующих с эле0 ментами электрода 3 два одинаковых чувствительных объема, каждый из которых содержит на поверхности дисков слой 5 оксида диоксида урана 90%-ного обогащени по массе изотопа U толщиной 1 мг/см .5 discs of opposite electrodes form a gap of 1.6 mm, and each disc of electrode 3, with the exception of the two extreme ones, is placed between the discs of one of the two other electrodes, which, with the elements of electrode 3, form two identical sensitive volumes, each containing on the surface of the discs a layer of 5 uranium oxide oxide of 90% enrichment by mass of the U isotope with a thickness of 1 mg / cm.

5Чувствительные объемы установлены5Sensitive volumes installed

один за другим вдоль оси детектора посредством переходного фланца, на котором закреплена кадмиева пластина 6 диаметром 46,4 и толщиной 0,5 мм в герметичной оболочке из нержавеющей стали толщиной 0,3one after another along the axis of the detector by means of a transition flange on which a cadmium plate 6 with a diameter of 46.4 and a thickness of 0.5 mm in a 0.3 mm thick stainless steel sheath is fixed

мм дл изол ции паров при сублимации кадми . Рейки каждого из электродов соедине- ны токоведущими проводниками со стандартными металлокерамическими электровводами 7, вваренными в крышку корпуса детектора, и изолированы от корпуса 1 с помощью спорных изол торов из высокоглиноземистой керамики, установленных в специальные гнезда во фланцах. Корпус детектора заполнен смесью инертных газов с примесью азота. Давление газов при отпайке откачкой трубки 0,3 Па. Детектор снабжен экраном 8 из кадмиевого листа толщиной 0,4-0,5 мм с отверстием на оси со стороны одного из чувствительных объемов и сопр женным с отверстием коллиматором 9, выполненным из кадмиевого листа толщиной менее 0,4 мм в виде набора оксиаль- ных поверхностей круговых цилиндров 10, ось которых совпадает с осью чувствительных объемов детектора, а углова апертура сохран етс неизменной по всей площади отверсти . Вид детектора со стороны контролируемого источника тепловых нейтронов на оси коллиматора показан на фиг.2.mm to isolate vapors upon sublimation of cadmium. The rails of each of the electrodes are connected with current-carrying conductors with standard cermet electrical leads 7, welded into the cover of the detector housing, and isolated from housing 1 with the help of disputable insulators of high-alumina ceramics installed in special sockets in the flanges. The detector housing is filled with a mixture of inert gases mixed with nitrogen. The pressure of the gases during the tap-off by pumping the tube is 0.3 Pa. The detector is equipped with a screen 8 made of cadmium sheet 0.4-0.5 mm thick with a hole on the axis on the side of one of the sensitive volumes and a collimator 9 connected to the hole, made of cadmium sheet less than 0.4 mm thick as a set of oxial surfaces of circular cylinders 10, the axis of which coincides with the axis of the sensitive volumes of the detector, and the angular aperture remains unchanged over the entire area of the hole. The view of the detector from the side of the controlled source of thermal neutrons on the axis of the collimator is shown in FIG. 2.

При работе детектора электроды 2 и 4 соединены с противоположными полюсами источника 11 питани , а электрод 3-е входом аналого-цифрового преобразовател 12 тока, св занного с компьютером 13, снабженным синхронизированным с работой дерного реактора устройством 14 запуска начала отсчета времени.During operation of the detector, electrodes 2 and 4 are connected to opposite poles of power supply 11, and electrode is the 3rd input of analog-digital current converter 12 connected to computer 13, equipped with a time reference start device 14 synchronized with a nuclear reactor.

Работа детектора основана на регист рации носителей зар да, возникающих при делении дер тепловыми нейтронами, распростран ющимис в пределах апер- турного угла, в сопр женной с кадмиевой пластиной со стороны источника секции. При этом сигнал детектора от нейтронов с энерги ми выше кадмиевой границы захватного и др. фонового гамма-излучени вычитаетс в цепи общего с электродами 2 и 4 электрода 3.The operation of the detector is based on the detection of charge carriers arising from the fission of nuclear thermal neutrons propagating within the aperture angle in a section adjacent to the cadmium plate from the source side. In this case, the detector signal from neutrons with energies above the cadmium limit of the capture and other background gamma rays is subtracted in a common circuit with electrodes 2 and 4 of electrode 3.

При регистрации сигнала от тепловых нейтронов, выход щих с поверхности замедлител , детектор располагают на рассто нии L, величина которого с учетом эффективной площади S замедлител в апертурном угле A Q коллиматора 9 ограничена соотношением L When registering a signal from thermal neutrons emerging from the surface of the moderator, the detector is placed at a distance L, the value of which, taking into account the effective area S of the moderator in the aperture angle A Q of the collimator 9, is limited by the ratio L

AQAQ

В заданных габаритных размерах минимальной угловой апертурой, определ емой отношением площади кругового сечени к квадрату длины образующей, обладает цилиндрическа поверхность из кадмиевого листа. Выполненный из того же материалаIn the given overall dimensions, the minimum angular aperture, determined by the ratio of the area of circular section to the square of the length of the generatrix, has a cylindrical surface made of cadmium sheet. Made from the same material

набор аксиальных круговых цилиндрических поверхностей 10 с диаметрами {di}, в котором отношение площади сечени каждого цилиндра с касательной к поверхностиa set of axial circular cylindrical surfaces 10 with diameters {di}, in which the ratio of the cross-sectional area of each cylinder with a tangent to the surface

соседнего внутреннего цилиндра в перпендикул рной оси плоскости сечени (фиг 2), к площади кругового сечени цилиндра минимального диаметра do не превышает величины квадрата отношени среднегоthe adjacent inner cylinder in the perpendicular axis of the section plane (Fig. 2), to the area of the circular section of the cylinder of the minimum diameter do does not exceed the value of the square of the ratio of the average

значени высот образующих этого (li) и соседнего внутреннего (li-i) цилиндров к высоте образующей (lo) цилиндра минимального диаметра и выражаетс соотношениемthe values of the heights of the generators of this (li) and the adjacent inner (li-i) cylinders to the height of the generatrix (lo) cylinder of the minimum diameter and is expressed by the ratio

15 (di - di-i) Vdi2 - di-i 2 fli -f 1ы Jtdo2-( 2lo15 (di - di-i) Vdi2 - di-i 2 fli -f 1y Jtdo2- (2lo

где i 1n - индекс, совпадающий с номеРОМ аксиальной цилиндрической поверхности в пор дке возрастани диаметра.where i 1n is the index coinciding with the number of the axial cylindrical surface in order of increasing diameter.

При таком соотношении диаметров соседних цилиндрических поверхностей коллиматора , изготовленного из кадмиевогоWith such a ratio of the diameters of the adjacent cylindrical surfaces of the collimator, made of cadmium

листа, детектор увеличивает степень компенсации сигнала от нейтронов с энерги ми выше Ecd и фонового гамма-излучени относительно уровн сигнала от тепловых нейтронов , распростран ющихс с поверхностиthe detector increases the degree of compensation of the signal from neutrons with energies above Ecd and background gamma radiation relative to the level of the signal from thermal neutrons propagating from the surface

замедлител в пределах апертурного угла за счет сохранени минимального значени угловой апертуры по всей площади сечени чувствительного объема плоскостью, перпендикул рной оси коллиматора.the retarder within the aperture angle by keeping the minimum value of the angular aperture over the entire section area of the sensitive volume with a plane perpendicular to the axis of the collimator.

Таким образом, предложенный детектор тепловых нейтронов по сравнению с из- вестными позвол ет в несколько раз увеличить точность дистанционных измерений плотности потока тепловых нейтронов,Thus, the proposed thermal neutron detector, as compared with the known, allows several times to increase the accuracy of remote measurements of the thermal neutron flux density.

испускаемых замедлителем при температуры выше 20 К.emitted by the moderator at temperatures above 20 K.

Claims

Claim 1. Thermal neutron detector containing three electrodes enclosed in a housing, forming two sensitive volumes arranged one after the other with a common electrode, one of which contains neutron-sensitive material, the efficiency of which interacts with

thermal neutrons with higher efficiency of interaction with epithermal and fast neutrons, characterized in that, in order to increase the accuracy of remote measurements, the second sensitive volume contains the same neutron sensitive material as the first, and the common electrode is made of two identical electrically connected elements separated by a layer effectively a material absorbing thermal neutrons with a thickness exceeding the mean free path of thermal neutrons in this material.

2. A detector according to Claim 1, characterized in that it is additionally provided with a screen surrounding from both sensitive volumes of material effectively absorbing thermal neutrons with a hole on the side of one of the sensitive volumes and a collimator adjacent to the hole, the axis of which intersects both sensitive volumes.

3. The detector according to claim 2, characterized in that the collimator is made of a material

an efficiently absorbing thermal neutrons, in the form of a set of axial cylinders, in which the ratio of the cross-sectional area of each cylinder of larger diameter, bounded by a segment of this cylinder with a tangent to the surface of the adjacent inner cylinder in the perpendicular axis of the cross-sectional plane, does not exceed the area of the circular cross-section of the cylinder of the minimum diameter the magnitude of the square of the ratio of the average heights of the generators of this and the adjacent inner cylinder to the height of the generatrix of the cylinder of minimum diameter.

L

iO

m

"./.

VbA