Экспериментальная установка на базе цилиндрического газонаполненного детектора

Экспериментальная установка представляет собой полиэтиленовую призму размером мм³ с вертикальным измерительным каналом (рис. 3.4), (Pu-Be) – источник быстрых нейтронов устанавливается на вертикальной оси в центре призмы.

Рис. 3.4. Схема экспериментальной установки: 1 – полиэтиленовая призма;

2 – источник нейтронов типа ИБН-26 № 009; 3 – дистанционирующие полиэтиленовые диски; 4 – детектор нейтронов типа СНМ; 5 – блок предварительного усиления сигнала; 6 – счетно-пусковая установка СПУ-1-1М;

7 – универсальный частотомер АСН-1300

Источник нейтронов типа ИБН-26 № 009 является плутоний-бериллиевым источником быстрых нейтронов. Источники подобного типа представляют собой однородную спрессованную смесь α-активного вещества (в данном случае это Pu-239) с порошком металлического бериллия (Be-9). Нейтроны в таком источнике образуются в результате реакции (α, n):

.

Средняя энергия быстрых нейтронов, образующихся в ходе данной реакции около 4,5 МэВ. Средний поток быстрых нейтронов от источника ИБН - 26 в угол 4π соответствует значению 1,99∙10⁷ с^-1, причем активность от источника не превышает 5,0∙10¹¹ Бк.

Кроме плутония чаще других источников α - излучателями служат полоний и радий. Преимуществом полониевых и плутониевых источников является то, что они имеют менее интенсивное γ-излучение (около 1 γ-кванта/нейтр), чем радиевые источники (около 10⁴ квант/нейтр). Период полураспада полониевых источников мал (138,4 дня) по сравнению с периодом полураспада радиевых (1620 лет) и плутониевых (24360 лет) источников, поэтому применение полониевых источников в ядерной технике не получило широкого распространения. Основные характеристики наиболее употребляемых (α, n)-источников приведены ниже в таблице 3.1, энергетические спектры – на рисунке 3.5.

 

Рис. 3.5. Энергетические спектры (α, n)-источников нейтронов

Таблица № 3.1.

Основные характеристики некоторых (α, n)-источников

Источники	Период полураспада	Число γ-квантов на 1 нейтрон	Средняя энергия нейтронов, МэВ	Максимальная энергия нейтронов, МэВ
Ra-α-Be	1620 лет	104	3,63	13,20
Po-α-Be	138,4 дня	1–2	4,30	10,89
Pu-α-Be	24360 лет	1–2	4,50	10,74

 

Счетно-пусковая установка СПУ-1-1М (рис. 3.4) является индикаторно-сигнализирующей установкой и предназначена для оценки относительного изменения плотности потока нейтронов, звуковой индикации средней частоты импульсов с детекторов нейтронов и сигнализации о превышении установленной частоты импульсов, поступающих с детекторов в физических исследованиях.

В состав установки СПУ-1-1М входят:

– блок предварительного усиления ПУ-2-1;

– блок высоковольтного напряжения БВ-9-1;

– громкоговоритель ГР-1;

– датчик НГД-2 с коронным счетчиком СНМ-11;

– датчик НГД-3 с коронным счетчиком СНМ-10;

– датчик НГД-4 с камерой деления КНТ-31.

Регистрация относительной плотности нейтронного потока осуществляется одним из датчиков датчиком НГД-2, НГД-3 или НГД-4. Импульсы со счетчика (в датчиках НГД-2 и НГД-3) или с камеры деления (в датчике НГД-4) усиливаются по амплитуде и дискриминируются. Выходные сигналы, снимаемые с блока ПУ-2-1, нормализованы по амплитуде и длительности, а их частота пропорциональна плотности потоков нейтронов.

Каждый из датчиков включает в себя детектор нейтронов, нагрузочный резистор R₁ и переходный конденсатор С₁. Питание детекторов высоким напряжением осуществляется блоком высоковольтного напряжения БВ-9-1. R₁ и С₁ по конструктивным соображениям размещены в блоке предварительного усиления ПУ-2-1.

Установка укомплектована датчиком НГД-2. Датчик НГД-2 состоит из цилиндрической гильзы, в которой размещается коронный счетчик медленных нейтронов СНМ-11. Счетчик с одной стороны упирается в контактную и компенсирующую пружину, а с другой стороны в контактный колпачок, установленный на изолирующем основании хвостовика (корпуса). С колпачком соединен пятиметровый кабель. Ввод кабеля в гильзу герметизируется при помощи уплотнения подключенного к блоку предварительного усиления ПУ-2-1. Рекомендуемая схема включения счетчика медленных нейтронов типа СНМ-11 изображена на рисунке 3.6.

 

Рис. 3.6. Схема включения счетчика медленных нейтронов типа СНМ-11:

R_Н1=47мОм; R_вых=16мОм; С_Р1=390 пФ

 

Счетчики типа СНМ относятся к классу газоразрядных счетчиков. Счетчики подобного типа являются удобными в эксплуатации детекторами излучений. Они получили широкое распространение благодаря ряду достоинств: высокой чувствительностью, обусловленной использованием усиления ионизации; простоте преобразования ионизации в электрические сигналы большой мощности; относительно простой конструкции (рис. 3.7) и технологией изготовления; небольшой стоимости; возможности работы от источников питания с относительно невысоким коэффициентом стабилизации напряжения; работе в большом диапазоне температур.

 

а) б)

Рис. 3.7. Структурная схема цилиндрического (а) и торцевого (б) счетчиков:

1 – нить (анод); 2 – катод; 3 – баллон; 4 – окно

 

Режим работы газоразрядных счетчиков определяется напряжением на его электродах. Существуют три основных режима работы счетчиков:

1) режим пропорционального газового усиления;

2) режим ограниченной пропорциональности;

3) режим гейгеровского разряда.

Счетчики, работающие в первом и втором режимах, называются пропорциональными, а в третьем гейгеровскими, или счетчиками с самостоятельным разрядом. Наибольшее распространение получили две конструкции счетчиков: цилиндрические (рис. 3.7, а) и торцевые (рис. 3.7, б).

Сами нейтроны не способны ионизировать газ. Поэтому в нейтронных счетчиках нейтронное излучение преобразуют в ионизирующее излучение с помощью ядерной реакции нейтронов с бором B¹⁰. Бор вводится в счетчик либо в газовом (BF₃ – трехфтористый бор), либо в твердом (аморфный бор) агрегатных состояниях. В последнем случае стенки счетчика (чаще всего катод) покрываются равномерным слоем бора, толщина которого в оптимальном случае должна быть равна пробегу α-частицы. При такой толщине бора эффективность регистрации нейтронов оказывается наибольшей. Содержание в боре изотопов с массовым числом 10 составляет при естественной смеси изотопов 18,8% и обогащенной смеси (80–85)%. Счетчик нейтронов СНМ-11 представляет собой полую трубку длиной 33,6 см (рис. 3.8), внутренняя поверхность этой трубки (катод) покрыта слоем бора естественной концентрации. Датчик такого типа способен регистрировать медленные нейтроны (тепловые и резонансные) при сильном γ-фоне.

 

Рис. 3.8. Внешний вид счётчика медленных нейтронов типа СНМ-11

 

В случае если счетчик заполнен трехфтористым бором BF₃, то регистрация тепловых и резонансных нейтронов происходит аналогичным образом, а именно по продуктам реакции B¹⁰(n, α)Li⁷, которые имеют суммарный выход 2,3 МэВ и на α-частицу приходится 1,5МэВ.

Сечение этой реакции обратно пропорционально скорости нейтронов в области энергий ниже 5 кэВ, а при энергии равной 0,025 эВ сечение захвата нейтронов на В¹⁰ равно 4010 барн. Типичные характеристики борного счетчика:

– давление BF₃ около 120 мм рт. ст.;

– рабочее напряжение примерно 1500 В;

– диаметр анода 0.05, диаметр катода 22мм.

Эффективность борного счетчика (при обогащении В¹⁰ до 96%) длиной 150 мм для тепловых нейтронов, падающих на торец, около 20%.

Большое распространение получили гелиевые счетчики. Например, датчик НГД-3 укомплектован коронным счетчиком СНМ-10, способным регистрировать тепловые нейтроны при γ-фоне. Конструктивно он выполнен аналогично СНМ-11, отличие заключается в том, что он заполнен смесью гелия Не³ и аргона. В этих счетчиках для регистрации нейтронного излучения используется реакция Не³(n, p)Н³, при этом выделяется энергия 0,8 МэВ. Эффективность гелиевых и борных счетчиков практически одинакова. Сечение реакции обратно пропорционально скорости нейтронов и при энергии 0,025 эВ равно 5500 барн.

Ионизационные камеры, на один из электродов которых нанесен слой делящегося материала, называют камерами деления. Обычно в качестве делящегося материала используется U²³⁵. Камера деления работает за счет ионизации производимой осколками деления. Большая энергия осколков деления позволяет уверенно дискриминировать акты делений от других реакций, в которых образуются заряженные частицы. Камеры деления нашли широкое применение для относительных и абсолютных измерений нейтронных потоков, для измерений сечений делений ядер, для изучения свойств осколков деления и т. д. Толщину слоя делящегося материала выбирают равной или меньшей значения величины пробегов осколков деления в делящемся материале. Подобной ионизационной камерой укомплектован датчик НГД-4 с камерой деления КНТ-31.

Регистрация и индикация данных поступающих с блока ПУ-2-1 осуществляется с помощью универсального частотомера АСН-1300. Прибор предназначен для проведения работ в процессах наладки, ремонта и лабораторных исследований. В режиме суммирования (канал А) прибор позволяет регистрировать импульсы тока, поступающие с блока ПУ-2-1 (рис. 3.4). Чтобы универсальный частотомер работал в режиме суммирования необходимо выполнить следующие действия:

Суммирование. Канал А.

1) установите переключатель POWER на ON;

2) подключите измеряемый сигнал к входу канала А;

3) установите переключатели [AC/DC], [LPF] и [ATTN] в нужное положение;

4) нажмите [Total A], клавиша подсветится;

5) при нажатии [Reset], счетчик обнуляется;

6) нажмите [Shift] [Hold], дисплей удерживает накопленное значение, но внутренний счет продолжается, затем нажмите [Reset], для возобновления индикации.

 

Таблица 3.2.

Общие характеристики АСН-1300

Время прогрева	30 мин (при 25ºС)
Зависимость от напряжения питания	на изменения напряжения
Индикатор	Светодиодный 14 мм, 9 разрядов
Температура окружающей среды	Работа: от 0ºС до +50ºС Хранение: от –20ºС до +60ºС
Напряжение питания	100–132 В/200–264 В; 50/60 Гц; предохранители: 250 мА/250В, 125 мА/250 В.
Масса	1,9 кг
Габаритные размеры	275 100 297 мм

 

С помощью полиэтиленовых дисков детектор нейтронов может размещаться на различных фиксированных расстояниях от источника нейтронов. Регистрация нейтронного излучения осуществляется датчиком с коронным счетчиком медленных нейтронов типа СНМ-11. Регистрация нейтронного излучения осуществляется следующим образом: излучение от источника нейтронов попадает в объем детектора, далее происходит взаимодействие нейтронов с В¹⁰, входящим в состав естественного бора. С помощью таких детекторов, содержащих в своем составе В¹⁰, регистрируются медленные нейтроны по реакции (n, α):

.

Образовавшиеся заряженные частицы (α-частицы и ядра Li) ионизируют газ в рабочем объеме детектора и на его выходе инициируется заряд. Как правило, величина тока, возникшего в результате движения под действием электрического поля образованных излучением свободных зарядов, мала, поэтому на детектор необходимо подавать высокое напряжение. Питание детектора высоковольтным напряжением осуществляется от СПУ-1-1М, рабочее напряжение счетчика 1500 В. Сигнал, снимаемый со счетчика, подается на блок предварительного усиления ПУ-2-1, где происходит усиление и дискриминация сигнала по высоте и длительности импульса. В результате этого сигнал преобразуется в форму необходимую для правильной работы универсального частотомера АСН-1300. Причем величина сигнала прямо пропорциональна плотности потока нейтронов, а эффективность измерительного тракта 30%. Преобразованный сигнал поступает на АСН-1300, где происходит его регистрация и индикация. Индикация набранной информации представлена в цифровом виде арабскими цифрами, в десятичном коде.