Датчики системы измерения

Детекторы частиц (лат. detector – тот, кто раскрывает, обнаруживает) - приборы для регистрации частиц (протонов, нейтронов, α-частиц, мезонов, электронов, γ-квантов и т. д.). Действие детекторов основано на различных процессах взаимодействия частиц с веществом. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы ("счетчики") регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

В СУЗ в качестве датчиков системы измерения используются нейтронные детекторы.

В связи с тем, что нейтроны не имеют заряда и непосредственно не вызывают ионизации в веществе, для регистрации нейтронов на практике используют вызванные ими ядерные реакции, сопровождающиеся вылетом заряженных частиц.

Энергия возникающего в результате реакции ионизирующего излучения преобразуется с помощью детекторов в форму электрических сигналов.

Принцип работы ионизационных камер, камер деления

В основу работы ионизационных камер положен процесс ионизации - превращение электрически нейтральных атомных частиц (атомов, молекул) в положительные ионы и свободные электроны в результате удаления из них одного или нескольких электронов (см. Рис. 1 -1). Для ионизации молекулы (атома) необходимо совершить работу ионизации против сил притяжения между вырванным электроном и атомным остатком – остальными частицами молекулы (атома).

Основными механизмами ионизации являются ударная ионизация (соударения с электронами, ионами, атомами); ионизация светом (фотоионизация); ионизация полем (процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрических полях).

При ударной ионизации наименьшая кинетическая энергия, которую должна иметь ионизирующая частица, оценивается из законов сохранения импульса и энергии и равна

1. ,

где m – масса частицы, М – масса атома, А_и – работа ионизации.

Рис. 1‑1 Схема процесса ионизации

Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц.

Нейтроны – незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. Например, при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать всю свою энергию протону, который, будучи заряженной частицей, может быть зарегистрирован обычным способом в ионизационной камере. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно большой вероятностью (большим сечением реакции), особенно при энергиях нейтронов порядка 1 эВ. Для детектирования нейтронов обычно применяют 3 реакции (см. Табл. 1 -1).

Табл. 1‑1 Сечение захвата σ и суммарная энергия Q заряженных частиц для энергии нейтронов En=0,025 эВ

Реакция	σ, барн	Q, МэВ
^3He(n,p)^3H	5333	0,764
^6Li(n, α)^3H	940	4,785
^10B(n, α γ)^7Li	3837	2,791 (7%) 2,313 (93%)

Пробеги протонов и α-частиц в веществе малы, поэтому обычно детекторы наполняют газообразными радиаторами ¹⁰BF₃, ¹⁰BCH₃, ³He. Иногда радиатор в виде твердого химического соединения ¹⁰В наносится тонким слоем на внутреннюю поверхность газоразрядного детектора, однако из-за сильного поглощения ядер ⁷Li и α-частиц в самом радиаторе такие нейтронные детекторы по эффективности⁴ уступают детекторам, наполненным газообразным радиатором.

Еще один пример реакции нейтронов, используемой в детекторах нейтронов, – деление ядер. Разлетающиеся осколки деления, обладая большой энергией, образуют на выходе нейтронного датчика импульс с амплитудой в 50-100 раз большей, чем в предыдущих случаях. Радиаторами служат ²³³U (сечение деления для тепловых нейтронов σ_f=533 барн), ²³⁵U (σ_f =590 барн), ²³⁹Pu (σ_f =750 барн). Внутренняя поверхность ионизационной камеры покрывается тонким слоем делящегося вещества (камера деления). Так как пробег осколков в радиаторе мал, то даже для толстого слоя ²³⁵U эффективность датчика меньше эффективности датчиков предыдущих типов. Для увеличения эффективности камеры делаются многослойными (до 20 слоев). Отличительной особенностью детекторов на основе реакции деления является то, что по большому энерговыделению, характерному для деления ядер, можно выявлять нейтроны на фоне других частиц. Это актуально для регистрации нейтронов заглушенного реактора, когда необходимо регистрировать низкий уровень нейтронного потока на значительном фоне гамма-излучения, источником которого являются распадающиеся осколки деления.

Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. При взаимодействии гамма-излучения с веществом электроны возникают за счет фотоэффекта, комптон-эффекта или рождения электронно-позитронных пар.

Фотоэффект – это процесс, обратный испусканию света: гамма-квант поглощается атомом, из которого вылетает электрон с той же энергией, что и у гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект значителен при энергии гамма-квантов, меньшей примерно 1 МэВ. Комптон-эффект – это рассеяние гамма-квантов на электронах. При этом электрон выбивается из атома и приобретает кинетическую энергию в диапазоне от нуля до почти полной энергии гамма-кванта. Этот процесс играет важную роль в области энергий порядка 1 МэВ и для веществ с малым атомным номером. Рождение пар происходит в результате взаимодействия гамма-кванта с сильным электрическим полем вблизи ядра. Полная энергия рождающихся электрона и позитрона (кинетическая энергия + энергия покоя) равна энергии гамма-кванта. Рождение пар не происходит при энергиях ниже 1 МэВ. При более высоких энергиях оно доминирует, особенно в веществах с большими атомными номерами, такими, как свинец. Для отделения сигнала, соответствующего гамма-квантам, применяются ионизационные камеры специальной конструкции и измерительные схемы, позволяющие выделить сигнал, соответствующий нейтронному потоку.

Устройство ионизационной камеры показано на Рис. 1 -2. В корпусе 7, заполненном газом, размещены два электрода 6, один из которых покрыт нейтронно-чувствительным слоем, например бором ¹⁰В, представляющим собой радиатор 5. К пластинам электродов через изоляторы 3 приложена разность потенциалов, создаваемых источником питания 1. Нейтронный поток n взаимодействует c нейтронно-чувствительным слоем. В результате ядерной реакции В(n,  Li образуются положительно заряженные -частицы, которые ионизируя газ, создают положительные и отрицательные ионы 4. Под влиянием внешнего электрического поля движение ионов образует в электрической цепи ток, пропорциональный степени ионизации газа, и, следовательно, интенсивности излучения.

Ионизация газа вызывается не только нейтронным потоком n, но и γ-квантами, поэтому ток в цепи ИК пропорционален плотности нейтронов n и γ-квантов. Такая ионизационная камера называется некомпенсированной.

Рис. 1‑2 Схема образования тока в ионизационной камере:

Рис. 1‑3 Вольтамперные характеристики ионизационной камеры для двух значений плотности потока нейтронов (_> ₁)

Для корректного измерения энергии частиц необходимо, чтобы все образовавшиеся электроны и ионы достигли электродов камеры (конденсатора). Последнее не всегда осуществляется, поскольку электроны и ионы помимо движения вдоль силовых линий электрического поля находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении (диффузия), что мешает всем носителям заряда собираться на соответствующие электроды. Кроме того, при соударениях происходит рекомбинация (обратный ионизации процесс, при котором электроны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтральную молекулу (атом)), ионизация ударом. Все эти явления меняют величины среднего тока. Зависимость тока камеры от приложенного напряжения, называемая вольтамперной характеристикой, для двух значений плотности нейтронного потока _ и _приведена на Рис. 1 -3. В области (I) поле, создаваемое внешним источником, еще недостаточно, чтобы все электроны и ионы попадали на собирающие электроды. При некотором критическом напряжении Uкр дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению тока I (область II). Это напряжение соответствует практически полному разделению всех возникающих пар ионов в рабочем объеме камеры. Соответствующий этому напряжению ток, называемый током насыщения Iн, который для различной плотности нейтронного потока  различен. При увеличении интенсивности излучения Iн также увеличивается. Одновременно увеличивается и Uкр в связи с большей вероятностью рекомбинации ионов из-за их большей плотности. В качестве рабочего напряжения, как правило, выбирают Uраб  2Uкр, при котором камера гарантированно работает в режиме насыщения. В этом случае ток камеры пропорционален плотности потока нейтронов, и такие камеры называют токовыми ионизационными камерами. При дальнейшем увеличении напряжения (область III) электроны могут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приводит к увеличению тока.

Если в качестве радиатора используется слой делящегося вещества, то такую ионизационную камеру принято называть камерой деления.

Принципиально камера деления ничем не отличается от ионизационной камеры с борным покрытием. Основное удобство камер деления в том, что при делении ядер нейтронами возникают осколки деления с высокой энергией. Это позволяет уверенно дискриминировать акты делений от других реакций, в результате которых образуются заряженные частицы.

Такое свойство камер деления позволяет использовать их для контроля нейтронного потока на фоне превосходящего потока γ-квантов, что соответствует состоянию заглушенного реактора.

Так как ионизация газа в объеме ионизационной камеры производится заряженными частицами и γ-квантами, всегда имеющимися в реакторе, а мощность реактора пропорциональна количеству нейтронов, то необходимо выделить сигнал, обусловленный только нейтронами. Для этого используют специальные компенсированные ионизационные камеры КНК (камера нейтронная компенсированная) (см. Рис. 1 -4).

Рис. 1‑4 Схема компенсированной ионизационной камеры

В корпусе 1 имеются три электрода 6, образующих два равных объема. В одном объеме, имеющем радиаторы 2 с чувствительным к нейтронам слоем, ионы образуются за счет нейтронов и γ-квантов, а во втором, где отсутствует чувствительный к нейтронам слой, - только за счет γ-квантов. В собирающем электроде сумма токов, вызванных γ-квантами, I_γПоэтому измерителем 3 регистрируется только ток, вызванный нейтронами I_n, пропорциональный плотности потока нейтронов. Проводники тока проводятся к электродам через изоляторы 4 и соединяются с источником питания 5. Сигнал КНК определяется как I = η_токφ, где η_ток - чувствительность камеры, А*см²*с/нейтр, φ - плотность потока нейтронов, нейтр/см²*с.