Ионизационная камера (для нейтронов, импульсный метод, диапазон измерения).

В качестве детекторов потока нейтронов или гамма квантов применяются ионизационные камеры и пропорциональные счетчики. Ионизационные камеры регистрируют только заряженные частицы, поэтому могут регистрировать нейтроны и гамма кванты по излучению заряженных частиц, возникающих при взаимодействии нейтронов и гамма квантов с веществом камеры (стенка детектора, газ в объеме детектора).

Процесс формирования импульса тока I, протекающего через детектор при попадании в его объем заряженной частицы

 

При образовании в ионизирующей среде свободных электронов и n электроны, обладающие меньшей массой, быстрее достигают положительного электрода. Это время называется временем собирания электронов (τ_э=0,1-0,2 мкс). Последнее приходится на отрицательный электрод большой амплитуды импульса, формирующего величину. Время собирания ионов или длительность импульсов детектора 10 мл с.

Электрический сигнал на выходе детектора при увеличении плотности нейтронного потока начинается с образования импульса тока от каждого взаимодействия нейтрона с радиатором детектора. Часть этих импульсов увеличивается пропорционально увеличению плотности нейтронного потока. Этот режим называется импульсный режим работы ИК. При достижении плотности потока нейтронов 10⁸-10⁹ н/(м³*с) из наложения импульсов от отдельных попаданий в объем детектора нейтронов, детектор переходит в токовый режим, значение тока пропорционально падающему нейтронному потоку. При дальнейшем увеличении потока нейтронов ток детектора начинает расти медленнее, так как при большой объемной плотности заряда в детекторе начинается их интенсивная рекомбинация. В результате многие заряды перестают доходить до электродов, следовательно, значение верхнего предела нейтронного потока, при котором ток детектора с заданной степенью точности можно считать пропорциональным потоку нейтронов, называемым потоком насыщения детектора

Вывод: детектор нейтронов для регистрации низкой плотности потока нейтронов используется в импульсном режиме. В импульсном режиме информация о плотности нейтронного потока служит средней частоты следование импульсов. Для регистрации высокой плотности нейтронов используется в токовом режиме, а информацией служит средняя величина тока детектора.

Определим максимальную частоту импульсов, которая может быть зафиксирована импульсным методом. Идеальный случай при регулярном сигнале через равные промежутки времени

Поскольку импульсы с детектора идут непрерывно из-за возможности наложения импульса один на другой f_рег будет ниже. Для расширения диапазона исследования f импульсов используется только фронт импульса, который определяется τ_э. Для этого в схему вставляют дифференциатор, срезающую величину этого импульса, получают ∂I/∂τ. При этом величина амплитуды импульса практически не меняется, а получается τ_имп1 составляет 2*τ_э = 0,4 мк с

На АЭС импульсные каналы контроля работают до импульса счета 10⁴-10⁵ имп/с

Существует возможность расширения диапазона работы импульсных каналов. Для этого уменьшают τ время дифференциатора, импульс становится τ_имп2 и увеличивает диапазон регистрирующих частот до 10⁶ имп/с. Это приводит к уменьшению амплитуды импульса, следовательно, худшая помехоустойчивость сигнала. Учитывая, что в АЭС происходит мощное электромагнитное возмущение от силовой электрической аппаратуры, то такая возможность расширения диапазона распространения не получила

Главной характеристикой детектора является его чувствительность к потоку нейтронов η, коэффициент пропорциональности между выходным сигналом и плотности потока нейтронов, падающего на него. Для детектора, работающего в импульсном режиме, выходным сигналом является число импульсов тока f_I или число напряжений f_U

ε_U – эффективность 1 м² радиатора, то есть доля поглощенных радиатором нейтронов, создающих импульс тока или напряжения на электродах детектора

F_эфф – эффективная плошадь детектора

Для детекторов, работающих в токовом выходным режиме сигналом является ток I.

e – заряд электрона

l – среднее число ионизирующих атомов в детекторе при 1 акте взаимодействия электрона с веществом

ε_T - доля поглощаемых нейтронов

Для твердых радиаторов в камерах деления, когда пробег продуктов реакции много больше δ радиатора и для газовых радиаторов BF3 ε_U = ε_T = ε. Для радиаторов из В = 0,0024, для U235 = 0,74

Эти формулы позволяют получить связь между η_U и η_T для детектора, который может работать и в токовом и в импульсном режиме

- средний заряд в импульсе, получаемый при взаимодействии n с радиатором

На практике достаточно точно можно определить экспериментально только коэффициент чувствительности η_T (в паспорте детектора), используя можно получить η_U, который в паспорте не приводится. Индекс «Т» опускается, а к обозначению η добавляется индекс того компонента реакторного излучения, для которого он приведен. η_н – по отношению к нейтронам, η_γ - по отношения к γ-квантам.

(((((((Зависимость среднего значения заряда в импульсе , образованного при попадании в объем детектора заряженной частицы при относительном приложенном напряжении:

Эта зависимость позволяет выбрать требуемый режим электрического поля детектора, который является одной из характеристик детектора, отражающееся в наименовании детектора.

Область I характеризуется низкой разностью потенциалов (до 0,2) между пластинами, время движения электронов и ионов велико, и за это время электроны или ионы полностью или частично успевают воссоединиться, не доходя до электродов. Это явление называется рекомбинацией.

В области II напряжение таково, что все образованные ионы достигают электродов и детекторы, работающие в этой области называются ионизационными камерами. Этот режим работы характерен тем, что значение среднего заряда, образованного в детекторе при попадании в объем заряженной частицы не зависит от напряжения, подаваемого в объем детектора. Рабочая точка выбирается в средней части области II (т.А)

В области III и IV первичные ионы, образованные непосредственно регистрирующей частицей получает дополнительное ускорение (энергию), что достаточно для образования вторичных нейтронов, и, следовательно, к увеличению тока. Происходит увеличение в детекторе носителей заряда и детекторы, работающей в этой области называются пропорциональными счетчиками, число вторичных нейтронов и заряд, собираемый на электродах пропорциональны первично частице.

Область IV называется областью ограниченной пропорциональности. Рабочая точка пропорциональных счетчиков в средней части области III (т.В)

Детекторы, работающие в области V – счетчики Гейгеля-Мюйлера. Напряженность поля достаточна для развития лавинной ионизации, поэтому выходной импульс тока имеет большую амплитуду, не зависящую от числа первичных ионов. Можно регистрировать единичные заряженные частицы, под действием которых в объеме детектора первоначально образуется хотя бы одна пара ионов)))))))))))))))

 

14. Ионизационная камера (для нейтронов, статистический метод).

В качестве детекторов потока нейтронов или гамма квантов применяются ионизационные камеры и пропорциональные счетчики. Ионизационные камеры регистрируют только заряженные частицы, поэтому могут регистрировать нейтроны и гамма кванты по излучению заряженных частиц, возникающих при взаимодействии нейтронов и гамма квантов с веществом камеры (стенка детектора, газ в объеме детектора).

Существует флуктуационный режим работы ИК. Это промежуточный режим, использующийся для регистрации нейтронов, когда их поток велик для применения импульсных методов, но еще мал для того, чтобы применить токовый режим ИК.

Флуктуационный метод основан на том, что заряд на электроде ИК, обусловленный поглощением нейтронов в ИК много больше, чем заряд от поглощения γ-квантов.

В связи со случайным наложением импульсов появляется флуктуация тока ИК. Эти флуктуации обусловлены в значительной степени частицами с большим, чем у электронов удельной ионизацией (α-частицы и осколки деления). Флуктуация тока приводит к статической дискриминации γ-излучения. Дополнительным преимуществом флуктуационного метода является то, что флуктуации тока, вызванные токами утечки, незначительны. Именно токи утечки в ИК и линиях связи препятствуют измерению потока нейтронов при высоких температурах.

Усредненный квадрат амплитуд флуктуаций тока ИК пропорционален квадрату зарядов, образованных этими частицами

I(t) – мгновенное значение тока ИК

- среднее значение тока ИК

- ускоренное по времени значение квадратичного отклонения мгновенного значения от среднего значения тока ИК

n_icp – средняя скорость счета частиц i, которая пропорциональна плотности потока частиц сорта i, в месте установки детектора; q_i – сигнал заряда, выдаваемый частицей сорта i при попадании в ИК

Если среди регистрируемых частиц имеются частицы, которые дают заряд много больше чем остальные, то с учетом квадратичной зависимости σ² от q_i именно эти частицы будут определять величину флуктуации (отклонения) тока. Таким образом появляется возможность судить о средней скорости регистрации нейтронов, когда детектор в импульсном режиме уже не работает из-за просчетов аппаратуры, а до токов режима далеко. По степени флуктуации можно судить о количестве нейтронов. Для флуктуационного метода контроля наиболее рационально использовать камеры деления, поскольку осколки деления имеют наибольшее среди заряженных частиц удельную ионизацию.

В этом случае происходит статическая дискриминация γ-фона и коэффициент выигрыша дискретизации по сравнению с токовым режимом пропорционален отношению q_п/q_γ. Для КД эта величина = 100.

Именование отечественных ИК 2-ух и 3-ех буквенное обозначение.

Для нейтронных камер с твердым радиатором вводится 3-я буква «Т». У нейтронных камер скомпенсированных γ-излучений вводится 3-я буква «К». КН – камера нейтронная с газовым радиатором.

КНТ - камера нейтронная с твердым радиатором; КНК - камера нейтронная с газовым/твердым радиатором с компенсацией γ-излучения; КНТ-31 - пусковая камера; КНК-51 - рабочая камера

(((((((Зависимость среднего значения заряда в импульсе , образованного при попадании в объем детектора заряженной частицы при относительном приложенном напряжении:

Эта зависимость позволяет выбрать требуемый режим электрического поля детектора, который является одной из характеристик детектора, отражающееся в наименовании детектора.

Область I характеризуется низкой разностью потенциалов (до 0,2) между пластинами, время движения электронов и ионов велико, и за это время электроны или ионы полностью или частично успевают воссоединиться, не доходя до электродов. Это явление называется рекомбинацией. В области II напряжение таково, что все образованные ионы достигают электродов и детекторы, работающие в этой области называются ионизационными камерами. Этот режим работы характерен тем, что значение среднего заряда, образованного в детекторе при попадании в объем заряженной частицы не зависит от напряжения, подаваемого в объем детектора. Рабочая точка выбирается в средней части области II (т.А) В области III и IV первичные ионы, образованные непосредственно регистрирующей частицей получает дополнительное ускорение (энергию), что достаточно для образования вторичных нейтронов, и, следовательно, к увеличению тока. Происходит увеличение в детекторе носителей заряда и детекторы, работающей в этой области называются пропорциональными счетчиками, число вторичных нейтронов и заряд, собираемый на электродах пропорциональны первично частице. Область IV называется областью ограниченной пропорциональности. Рабочая точка пропорциональных счетчиков в средней части области III (т.В) Детекторы, работающие в области V – счетчики Гейгеля-Мюйлера. Напряженность поля достаточна для развития лавинной ионизации, поэтому выходной импульс тока имеет большую амплитуду, не зависящую от числа первичных ионов. Можно регистрировать единичные заряженные частицы, под действием которых в объеме детектора первоначально образуется хотя бы одна пара ионов.