Пропорциональный борный счетчик и борная камера

Для регистрации тепловых и резонансных нейтронов используют пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым бором (ВР₃). Нейтроны регистрируют по продуктам реакции ¹⁰В(n,α)⁷Li, которые имеют суммарную энергию около 2,3 Мэв. Сечение этой реакции обратно пропорционально скорости нейтронов в области энергий нейтронов ниже 5 кэв, поэтому борный счетчик измеряет плотность нейтронов. Типичные характеристики борного счетчика следующие. Давление BF₃ около 120 мм рт. ст., рабочее напряжение примерно 1500 в, диаметр анода 0,05, диаметр катода 22 мм. Эффективность борного счетчика (при обогащении ¹⁰В до 96 %) длиной 150 мм для тепловых нейтронов, падающих на торец, около 20 %.

Счетная характеристика борного счетчика имеет плато. Это понятно, поскольку при регистрации нейтронов низких энергий амплитуда импульса не зависит практически от энергии нейтронов (энергия реакции велика). Наличие плато особенно важно для пропорциональных счетчиков, так как коэффициент газового усиления экспоненциально растет при увеличении напряжения на счетчике.

При необходимости регистрировать большие потоки нейтронов используют многопластинчатые ионизационные камеры в токовом режиме. Графитовые пластины покрывают тонким слоем бора (~0,4 мг/см²). Если камера имеет чувствительность, которая равна единице, то потоку нейтронов 10⁸ нейтрон/(см²·с) соответствует ток около 10^-6 а. Камеры в токовом режиме используют обычно для контроля за мощностью реактора. В реакторах потоки γ-квантов обычно сравнимы с потоками нейтронов. Но если мощность реактора уменьшится, то потоки γ-квантов могут намного превысить потоки нейтронов. Поэтому чувствительность камеры к γ-квантам необходимо сделать по возможности меньше. В пропорциональном счетчике можно дискриминировать импульсы от γ-излучения, а в токовом приборе такую дискриминацию проводить нельзя. Чтобы уменьшить чувствительность камеры к γ-квантам, необходима такая конструкция, в которой отношение объема камеры к площади борного покрытия было бы минимальным. Эффективный способ исключения тока, обусловленного γ-квантами, удается получить, используя две идентичные камеры. В одной из них есть борное покрытие, а в другой его нет. Поэтому в первой камере возникает ток от γ-квантов и нейтронов, а во второй только от γ-квантов. С помощью специальной электронной схемы можно регистрировать разность токов, которая пропорциональна току, характеризуемому нейтронным потоком.

«Всеволновый» счетчик

Эффективность регистрации борным счетчиком быстрых нейтронов можно существенно повысить, если счетчик поместить в замедлитель нейтронов. В результате замедления быстрые нейтроны будут терять значительную часть своей энергии и эффективность регистрации их борным счетчиком увеличивается, поскольку сечение реакции ¹⁰В (n, α) быстро растет с уменьшением энергии нейтронов.

Хансон и Мак-Киббен сконструировали замедлитель специальной формы так, что чувствительность счетчика к нейтронам разных энергий оказалась практически одинаковой. Конструкция «всеволнового» счетчика и его чувствительность в зависимости от энергии нейтронов показаны на рис. 2.8.

Форма замедлителя для всеволнового счетчика подобрана экспериментально. Независимость чувствительности счетчика от энергии нейтронов можно понять, если принять во внимание, что чем выше энергия нейтронов, тем с большего объема замедлителя они могут попасть в борный счетчик, помещенный в центре замедлителя. Другими словами, эффективный размер всеволнового счетчика больше для нейтронов с большой энергией.

1- парафин; 2 – борный счетчик; 3 – слой борного поглотителя.

Рис. 8. Устройство всеволнового счетчика (а) и

зависимость его чувствительности от энергии нейтронов (б)

Внешняя парафиновая оболочка всеволнового счетчика выполняет роль коллиматора: нейтроны попадают в счетчик только с торца (именно в этом направлении счетчик обладает всеволновостью). Отверстия в торцовой части счетчика сделаны для увеличения вероятности регистрации нейтронов низких энергий. Чувствительность всеволнового счетчика равна примерно единице. Всеволновые счетчики часто используют как мониторы пучков нейтронов при физических измерениях.

Ик для измерения дозы рентгеновского и γ-излучений

Во многих случаях необходимо знать энергию, поглощенную веществом. Такие измерения особенно важны для оценки влияния, например, γ-излучения на организм человека. Следовательно, необходим повседневный контроль за персоналом, работающим с проникающим излучением. Поэтому сконструированы многие приборы, которые измеряют величины, пропорциональные поглощенной энергии в ткани человеческого тела. Оказалось, что при соблюдении определенных условий ток, протекающий в камере (или накопленный заряд), пропорционален мощности дозы γ-излучения (дозе γ-излучения). Наиболее интересны, так называемые, карманные гамма-дозиметры. Карманный гамма-дозиметр – это камера конденсаторного типа со встроенным измерительным устройством и с очень хорошей изоляцией. На одном из электродов конденсатора укреплены нити электрометра. Если конденсатор зарядить до некоторого потенциала, то подвижная нить электрометра будет в определенном положении, которое можно совместить с нулем градуированной шкалы. Разрядка конденсатора возможна за счет токов утечки, а также за счет ионизации молекул газа проникающим излучением. Обычно токи утечки в камерах конденсаторного типа малы (нет заметного изменения заряда в течение 2…3 недель), что позволяет по отклонению нити определить дозу γ-излучения. Обычно карманные дозиметры имеют шкалу, рассчитанную примерно на 200 мр.

Газоразрядные счетчики

При рассмотрении механизма газового усиления было показано, что с увеличением разности потенциалов на счетчике быстро растет коэффициент газового усиления M, а с его ростом все большее значение в развитии лавины приобретает фотоионизация:

M_γ = M + M²·γ + M³·γ² + …=M/(1-M·γ),

где: M_γ – полный коэффициент газового усиления; M – коэффициент газового усилкния при отсутствии фотоионизации; γ – вероятность появления одного фотоэлектрона на один вторичный электрон.

Поэтому, полный коэффициент усиления M_γ может значительно превышать M, поскольку произведение M·γ растет. Наконец, при некоторой разности потенциалов U_3аж величина M·γ может стать равной единице, и тогда полный коэффициент газового усиления M_γ окажется бесконечно большим. Это означает, что в счетчике возникнет непрерывный самоподдерживающийся разряд. Ток такого разряда не будет бесконечно большим, поскольку в счетчике возникнет объемный заряд, который исказит поле вблизи нити, уменьшит его и тем самым уменьшит полный коэффициент газового усиления. Самостоятельный разряд можно использовать для регистрации частиц, если создать условия для гашения разряда.