Примеры использования ионизационных камер и пропорциональных счетчиков

Камеры деления

Ионизационные камеры, внутри которых размещены слои делящегося вещества, очень удобны для проведения некоторых измерений с нейтронами. Основное удобство таких камер (их называют камерами 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. Камеры деления используют для относительных и абсолютных измерений нейтронных потоков, для измерения сечений деления ядер, для изучения свойств продуктов, сопровождающих деление, и т.д. В этой камере делящийся материал помещают в виде тонких слоев. Толщину слоя выбирают обычно меньше, чем наибольшая величина пробега осколков деления. Применение слоев, больших по толщине, чем пробег осколков, бессмысленно, так как это не приведет к увеличению эффективности камеры. С другой стороны, чем толще слой, тем больше α-частиц (α-распад делящихся изотопов) будет попадать в рабочий объем камеры. А это может привести к нежелательному фону. Хотя энергия α-частиц много меньше, чем энергия осколков деления, но возможны наложения импульсов от многих α-частиц, и тогда суммарный импульс сравним с импульсами от осколков деления.

Для конкретного случая при нахождении частоты появления импульсов с наложениями следует учесть реальную форму импульса и постоянную RC камеры. Наложения импульсов от α-частиц существенны для камер, в которых используют делящийся материал с малым временем жизни относительно α-распада. Для уменьшения фона α-частиц камеры деления наполняют газами, для которых велики подвижности электронов (например, метан). В настоящее время в камерах, наполненных метаном, получают импульсы длительностью около 10 нс, если расстояния между электродами камеры порядка десятой доли сантиметра. С этой же целью можно выбирать расстояния между электродами камеры и давление в ней так, чтобы осколки деления расходовали в рабочем объеме только часть своей энергии. Это увеличит отношение величин импульсов от осколков деления к импульсам от α-частиц, поскольку плотность ионизации у осколков деления имеет наибольшую величину в начале пробега, а для α-частиц – в конце пробега. Очевидно, что последний способ уменьшения фона α -частиц неприменим, если с помощью каморы измеряют энергетическое распределение осколков деления.

Измерение с камерами будет иметь хорошую точность, если в их счетной характеристике (зависимость числа импульсов при постоянном облучении от уровня дискриминации регистрирующего устройства) будет плато. Интегральный счет осколков деления имеет плато, если слой урана тонкий. И это понятно, так как спектр осколков деления, попадающих в рабочий объем камеры, в этом случае имеет максимум в области энергий 40…100 Мэв. При толстом слое спектр осколков деления, попадающих в рабочий объем камеры, непрерывный и имеет подъем в области малых энергий (поглощение осколков деления в уране), поэтому интегральная счетная характеристика такой камеры не имеет плато.

Контроль регистрирующей аппаратуры с камерами деления можно легко проводить по скорости счета импульсов, обусловлен­ных α-частицами. Логарифм скорости счета α-частиц зависит практически линейно от уровня дискриминации регистрирующей схемы. Такую зависимость часто называют α-частичной кривой камеры, это обстоятельство используют обычно для определения необходимого уровня дискриминации схемы. Снимая α-частичную кривую, можно экстраполяцией найти такое положение уровня дискриминации, когда скорость счета α-частиц будет равна, например, 0,05 имп/мин. Установление уровня дискриминации таким способом позволяет работать всегда при одном и том же уровне чувствительности (контроль усиления).

Чувствительность камер деления можно записать в следующем виде:

S=N₀·σ_j·B,

где N₀ – число делящихся ядер в камере; σ_j– сечение деления; В – коэффициент, зависящий от уровня дискриминации регистрирующей аппаратуры, толщины слоя и геометрии камеры.

Величину В сравнительно просто можно вычислить для тонких слоев, плоской камеры и низких порогов. При толстых слоях вычислить величину В очень сложно. Для плоских камер с тонким слоем урана (1 мг/см²) величина В может иметь значения вблизи единицы, для толстых слоев эта величина существенно зависит от уровня дискриминации схемы.

Определение В в камерах деления можно провести с доста­точной точностью экспериментально. Поместим камеру в пучок тепловых нейтронов Ф. Тогда камера будет регистрировать количество делений п_f = Ф·N₀·σ_f·B. Каждое деление сопровождается испусканием ν быстрых нейтронов, которые можно одновременно регистрировать детектором быстрых нейтронов. Этот детектор будет регистрировать число импульсов п_п = Ф·N₀·σ_f·ν·∆Ω·ε_d , где ∆Ω – телесный угол, под которым попадают нейтроны деления в детектор с эффективностью ε_d. Включим камеру деления и детектор быстрых нейтронов в схему совпадения и измерим скорость совпадений n_jn = Ф·N₀·σ_f·ν·∆Ω·ε_d·B. Легко видеть, что В = n_jn/n_n. Ошибка в определении величины В таким способом может быть порядка статистической ошибки.

Несколько замечаний о конструкциях камер деления. Примером камеры для прецизионных измерений может быть камера с тонким слоем ²³⁹Рu (95 мкг/см²), нанесенным на диск диаметром 4 см. Напряжение на камере около 300 в, наполнение – аргон или азот при р = 1,5 атм. Расстояние между электродами примерно 1 см. Число α-частнц, попадающих в рабочий объем, приблизительно 5·10⁵ с^-1. Оценим число восьмикратных наложений, считая среднюю длительность импульса τ = 10^-6 с. При 8-кратных наложениях п(8) = 0,3 имп/с. Это заметная скорость счета, но уже при 10-кратных наложениях п(10) ~ 10^‑3 имп/с. При малых размерах очень большую чувствительность имеют спиральные камеры деления. Такая камера состоит из двух концентрических спиралей, расположенных на расстоянии примерно 0,5 мм, на которые с обеих сторон нанесен слой U₃О₈ толщиной 0.25 мг/см². Эта спираль при диаметре 30 мм и такой же высоте имеет поверхность приблизительно 300 см² и общее количество урана около 500 мг. Недостаток такой камеры состоит в ее высокой собственной емкости и, следовательно, сравнительно малом сигнале на выходе. Кроме того, камеры с толстыми слоями U₃О₈ не будут иметь плато в счетной характеристике. В камерах для регистрации тепловых нейтронов используют чаще слои с ²³⁵U. ²³⁹Pu почти при той же чувствительности имеет большой фон α-частнц, так как период α-распада ²³⁵U в 4·10⁴ раз больше периода α-распада ²³⁹Ри. Для регистрации быстрых нейтронов удобны камеры со слоями ²³⁸U и ²³²Th.

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(п,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.

Рис. 2.8. Устройство всеволнового счетчика (а) и зависимость его чувствительности от энергии нейтронов (б): 1- парафин; 2 – борный счетчик; 3 – слой борного поглотителя.

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.