7. Детекторы прямого заряда

Д етекторы прямого заряда (ДПЗ) или эмиссионые детекторы применяются для контроля энерговыделения в ядерных реакторах, плотность потока нейтронов в которых достигают значений 10¹³  I0¹⁵ н/(см²с). Предназначены для работы в условиях высоких температур (до700ºС) и высокого уровня γ-фона внутри активной зоны ядерного реактора. Существует несколько типов ДПЗ, но для контроля энерговыделения в активных зонах промышленных реакторах большой мощности применяются исключительно β-эмиссионные ДПЗ.

П ринцип действия. ДПЗ представляет собой коаксиальную конструкцию (рис.12) и состоит из эмиттера (1), коллектора (2) и разделяющего их диэлектрика (3). Для эмиттера используются материалы, в которых под действием нейтронов может протекать ядерная реакция типа:

(4)

Если ДПЗ поместить в стационарный поток нейтронов, то через время t > T_1/2 в единичном объеме эмиттера ΔV устанавливается равновесии между скоростью поглощения нейтронов и скоростью распада образуемых радиоактивных ядер. Поэтому ток испускаемых β-частиц будет равен числу поглощаемых эмиттером нейтронов в единицу времени

(5)

где е – заряд электрона; n – концентрация ядер эмиттера; σ – сечение реакции (4); Φ – плотность потока нейтронов. Из выражения (5) следует важное заключение, что ток насыщения эмиттера линейно зависит от плотности потока нейтронов.

Вылетая из эмиттера и достигая коллектора, β-частицы (частица а на рис.11) создают во внешней измерительной цепи И, подсоединенной между эмиттером и коллектором, электрический ток. Материалы изолятора и коллектора подбирают таким образом, чтобы у них сечение поглощения нейтронов было существенно меньше, чем для материала эмиттера. Это вызвано необходимостью исключить встречный ток (частица в на рис. 12). Однако не все β-частицы, которые испускаются эмиттером ДПЗ, могут достичь коллектора. Часть их поглощается в самом эмиттере, часть – в диэлектрике (частица с на рис. 12). Ввиду этого, ток коллектора I_К составляет только часть тока эмиттера I_Э:

,

(6)

где k – коэффициент собирания β-частиц коллектором.

Существует признак, который принципиально отличает ДПЗ от ионизационных детекторов, хотя в обоих типах детекторов измеряется ток во внешней цепи. В ДПЗ на один поглощенный нейтрон возникает только один элементарный заряд, тогда как при регистрации одной ионизирующей частицы в ионизационных детекторах может возникать 10⁴ ÷ 10⁸ элементарных зарядов, в зависимости от типа детектора и режима его работы.

ДПЗ является генератором тока, если его внутреннее сопротивление на несколько порядков величин превышает сопротивления нагрузки. В этом случае ток во внешней цепи не зависит от сопротивления нагрузки. Обычно измеряют ток короткого замыкания, что дает ряд преимуществ. К ним относятся значительное снижение требований к величине сопротивления диэлектрика, что позволяет использовать ДПЗ при высоких температурах, и относительно малое влияние электрических помех на низкоомную измерительную цепь.

Чувствительность ДПЗ – ток в амперах, генерируемый эмиттером детектора массой 1 г в потоке тепловых нейтронов с единичной плотностью потока, имеющих максвелловское распределение по скоростям. В потоке нейтронов плотностью 10¹³ (см²с)^-1 в ДПЗ с эмиттером массой 1 г, ядра которого имеют сечение поглощения нейтронов 100 барн, ток равен ~ 10^-7 А, что соответствует чувствительности ДПЗ в пределах 10^-19 ÷ 10^-20 Аг^-1см²с.

Конструктивные особенности. Диаметр эмиттера составляет обычно 0,5 ÷ 0,8 мм и изготавливается из ванадия, серебра или родия. Наибольшее распространение получил родий. Он имеет большое сечение активации тепловыми нейтронами (140 барн) и высокую энергию испускаемых β-частиц, чем обусловливается высокая чувствительность родиевых ДПЗ. Родий обладает высокой температурой плавления (1960 ºС) и как благородный металл – высокой коррозионной стойкостью. Применение серебра ограничено относительно невысокой температурой плавления (961ºС) и значительно меньшей чувствительностью. Из-за низкой чувствительности ванадиевые ДПЗ применяются редко, хотя ванадий имеют высокую температуру плавления (1920ºС). Коллектор ДПЗ имеет внешний диаметр около 2 мм и обычно изготавливается из нержавеющей стали. Изолятор изготовляют из кварцевого стекла (SiO₂), алунда (Al₂O₃), окиси магния (MgO). Толщина изолятора составляет ~ 0,2 мм. Указанные размеры эмиттера и толщины диэлектрика обеспечивают оптимальный коэффициент k собирания β-частиц коллектором. Обычно он составляет 0,1 ÷ 0,2.

При работе ДПЗ часть ядер эмиттера активируется и после испускания β-частиц превращается в ядра, которые не принимают участия в дальнейшей работе детектора. Этот процесс принято называть выгоранием. Например, родиевый ДПЗ, работающий в потоке нейтронов плотностью 10¹⁴ (см²·с)^-1, выгорает на 34% в год, по сравнению с 19% для ДПЗ с эмиттером из серебра.

Литература

1. Прайс В. Регистрация ядерного излучения. М.: Издательство иностранной литературы., 1960.

2. Калашникова В.И. и Козодаев М.С. Детекторы элемнтарных частиц. М.: Издательство “Наука”, 1966.

3. Акимов Ю.А., Игнатьев О.В., Калинин А.И., Кушнирук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Медведев М.Н. Сцинтилляционные детекторы. М.: Атомиздат, 1977.

5. Детекторы для внутриреакторных измерений энерговыделения. М.: Атомиздат, 1977. Авт.: М.Г. Мительман, Б.Г. Дубовский, В.Ф. Любченко, Н.Д. Роземблюм.

Содержание

Детекторы ядерных излучений 1

Илл. 12, библ. назв. 5. 2

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 3

2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ДЕТЕКТОРОВ 4

3. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ 8

4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ 12

5. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ 16

6. ТРЕКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ 25

7. ДЕТЕКТОРЫ ПРЯМОГО ЗАРЯДА 26

Литература 30

Содержание 30

*Отсюда такие названия, как сцинтилляционный счетчик, пропорциональный счетчик и др. Эти названия не точны, так как в действительности имеются в виду соответствующие детекторы, используемые только как регистраторы числа импульсов.

*Экситоном называется связанная пара электрон-дырка, которая мигрирует по кристаллу и переносит энергию, но не переносит электрического заряда.

31