13.4 ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

13.4.1 Детекторы тепловых нейтронов на основе 3He è BF3

В качестве газов-наполнителей детекторов тепловых нейтронов могут использоваться BF3 èëè 3He. При использовании BF3 газ обогащается по изотопу 10В. Содержание 3He в природном гелии составляет около 10-4 %, поэтому 3He обычно получают путем выделения из трития при его производстве в специальных ядерных реакторах. В названных газах могут протекать следующие ядерные реакции:

Эти реакции являются экзотермическими и ведут к образованию в газе заряженных частиц высокой энергии. Нейтронные счетчики работают в пропорциональном режиме. Ионизация газа, вызванная заряженными частицами, инициирует процесс газового усиления, предшествующий регистрации нейтронов. Энергия, переданная детектору, представляет собой энергию, выделенную в результате ядерной реакции.

При использовании 3He в результате взаимодействия нейтрона с ядром 3He образуются ядро тритона 3H и протон 1H. Энергия реакции, равная 765 кэВ, делится между тритоном и протоном. При взаимодействии нейтрона с ядром 10B образуются ядро гелия (альфа-частица) и ядро лития, при этом между ними делится энергия реакции, равная 2310 кэВ. Вероятность реакции, при которой ядро лития образуется в возбужденном состоянии, составляет 94 %. Возбуждение снимается испусканием гамма-квантов с энергией 480 кэВ. Эти гамма-кванты обычно покидают детектор, в этом случае в детекторе остается только 2310 кэВ энергии реакции. Вероятность реакции, при которой ядро лития находится в основном состоянии, составляет 6 %. В этом случае в детекторе остается энергия, равная 2790 кэВ. При указанном режиме реакции образуется небольшой дополнитель-

ный пик в спектре амплитуд импульсов счетчиков, наполненн ых BF.

3

Сечение реакции на тепловых нейтронах для 3He (уравнение (13.1)) равно 5330 барн, а для 10B (уравнение (13.2)) — 3840 барн. Сечения обеих реакций существенным образом зависят от ýíергии падающих нейтронов E, эта зависимость может быть выражена как 1/ E. Зависимость сечения этих реакций от энергии

нейтронов показана на рис. 13.4 [7]. Например, счетчик диаметром 2,54 см, наполненный 3He под давлением 4 атм, имеет эффективность регистрации тепловых нейтронов (Е = 0,025 эВ), равную 77 %. (Такая конструкция детектора является почти оптимальной для регистрации тепловых нейтронов; увеличение количества 3He лишь незначительно повышает эффективность регистрации и, как правило, нецелесообразно с точки зрения стоимости детектора). При энергии нейтронов 100 эВ эффективность регистрации равна приблизительно 2 %; при 10 кэВ — 0,2 % и при 1 МэВ — 0,002 %. Для достижения максимальной эффективности регистрации, учитывая столь сильную ее зависимость от энергии нейтронов, детекторы, наполненные 3He èëè BF3, обычно окружают полиэтиленом толщиной около 10 см или другими материалами-замедлителями нейтронов. (Более подробно конструкция детекторов рассматривается в главе 14).

Ðèñ. 13.4. Зависимость сечения реакций 3He(n,p), 10B(n,a) è 6Li(n,a) от энергии падающих нейтронов [7]

На рис. 13.5 показан типичный спектр амплитуд импульсов пропорционального счетчика, заполненного 3He [8]. Форма этого спектра определяется прежде всего кинематикой реакции и выбором постоянной времени формирования усилителя. Пик полного поглощения, наблюдаемый на спектре, отражает собирание кинетической энергии как протона, так и тритона. Следует подчеркнуть, что положение этого пика соответствует энергии реакции 765 кэВ и не зависит от энергии нейтронов. Если одна из двух частиц попадает в стенку счетчика, то количество энергии, передаваемой газу, уменьшается, что ведет к образованию низкоэнергетического хвоста. Поскольку обе заряженные частицы испускаются в противоположные направления, вероятность регистрации одной из них очень велика. Таким образом, существует широкий провал в форме спектра в области ниже минимальной собираемой энергии и последующий подъем в области малых амплитуд шумов и наложения импульсов от гамма-квантов. Если уровень дискриминации установлен внутри этого провала, незначительные изменения напряжения на трубке или параметров усилителя не окажут влияния на скорость счета детектора. В результате стабильность работы детектирующей системы может быть очень высокой (около 0,1 %).

Выбор постоянных времени усилителя определяет степень собирания зарядов в детекторе. При постоянных времени 2 мкс и более происходит почти полное собирание зарядов и формирование спектров амплитуд импульсов детектора, подобных представленному на рис. 13.5, с разрешением по пику полного поглощения в диапазоне от 5 до 15 %. При постоянных времени от 0,1 до 0,5 мкс происходит полная потеря формы пика, но становится возможным повысить скорость счета и снизить влияние шумов электроники и импульсов от гамма-квантов. По-

Ðèñ. 13.5. Спектр амплитуд импульсов счетчика, наполненного 3He, при регистрации тепловых нейтронов

стоянная времени 0,5 мкс является общепринятым компромиссом между получе- нием хорошего разрешения и высокой скорости счета.

Детекторы, наполненные 3He, обычно работают от источника питания с напряжением в диапазоне от 1200 до 1800 В. При более высоком напряжении повышение эффективности регистрации в результате улучшения собирания первич- ных зарядов очень невелико, около 1 % на 100 В [8]. (Типичная форма плато счетной характеристики детектора, наполненного 3He, показана на рис. 13.6). С другой стороны, суммарная величина собранных зарядов вследствие газового усиления с ростом напряжения быстро возрастает, примерно на 100 % на 100 В. В слу- чае, когда 3He-детекторы используются в виде батарей счетчиков, важно обеспе- чить хорошее разрешение (порядка 5 % полуширины пика) и однородность газовой смеси с тем, чтобы положение и ширина пика полного поглощения были одинаковыми для всех детекторов.

Спектр амплитуд импульсов пропорционального счетчика, наполненного BF3, показан на рис. 13.7 [1]. Разрешение этих счетчиков изменяется в диапазоне от 5 до 30 % и обычно хуже, чем у гелиевых счетчиков. Давление газа колеблется от 0,2 до 2 атм. Чтобы компенсировать низкое давление, диаметр трубки счетчика обычно выбирают равным 5 см. Рабочее напряжение составляет 1400 — 2800 В,

Ðèñ. 13.9. Спектры амплитуд импульсов различных нейтронных детект оров,наполненных 3He. Постоянная времени формирования усилителя — 0,5 мкс. (А) — с месь3He, Ar è CH4. Источник нейтронов; (Б) — смесь 3He, Ar è CH4. Источник нейтронов и гамма-излучение с дозой 1 Р/ч; (В) — смесь 3He è 50 % CO2. Источник нейтронов;

(Г) — смесь 3He è 50 % CO2. Источник нейтронов и гамма-излучение с мощностью дозы 1 Р/ч

ма-квантами (см. табл. 13.2). Однако, если мощность дозы гамма-излучения больше, чем при использовании обычных плутониевых или урановых образцов, возможно негативное влияние гамма-квантов на отклик детекторов, наполненных 3He èëè BF3.

В качестве примера на рис. 13.8 показано влияние возрастания мощности дозы гамма-излучения на отклик детектора, наполненного 3He под давлением 4 атм и аргоном под давлением 2 атм [9]. Предельная мощность дозы гамма-излу- чения составляет на практике величину порядка 1 Р/ч. Как показано на рис. 13.9, некоторое улучшение спектра амплитуд импульсов может быть достигнуто заменой аргона на CO2 с концентрацией около 5 % [10]. Это улучшение обусловлено удалением аргона, имеющего относительно высокий атомный номер Z, которому

прямо пропорциональна плотность электронов. Однако удаление аргона сокращает относительную площадь пика полного поглощения, поскольку длина пробега продуктов реакции становится больше, а передаваемая газу энергия меньше. Кроме того, указанное увеличение длины пробега ведет к увеличению времени собирания зарядов, а также к увеличению примерно на 35 % мертвого времени электроники.

Чувствительность детекторов, наполненных BF3, к гамма-излучению сравнима или несколько лучше, чем у гелиевых детекторов. Энергия, передаваемая газу в результате взаимодействия нейтрона с ядром 10B, больше энергии от взаимодействия нейтрона с ядром 3He, но и энергия, передаваемая газу в результате взаимодействия гамма-квантов, также выше (см. табл. 13.2). Сечение реакции взаимодействия нейтрона с ядром 3He выше, чем с ядром 10B. Сечение взаимодействия гамма-квантов зависит от относительного содержания 3He, аргона и BF3, а также от толщины стенок корпуса счетчика (см. табл. 13.1). Детекторы, наполненные BF3, сохраняют работоспособность в гамма-полях с мощностью дозы до 10 Р/ч, что лучше показателей счетчиков, наполненных смесью 3He с аргоном. Однако рабочие характеристики счетчиков, наполненных смесью 3He ñ CO2, сопоставимы с характеристиками счетчиков, наполненных BF3.

13.4.2 Детекторы быстрых нейтронов, наполненные 4He è CH4

Работа детекторов быстрых нейтронов, наполненных 4He è CH4, основана на ионизации газа в счетчике при отдаче легких ядер. Указанное взаимодействие является упругим рассеянием нейтронов легкими ядрами. Если ядром отдачи является только ядро атома водорода (протон), то максимальная энергия, которая может быть передана ядру, равна полной кинетической энергии нейтрона Е. Для более тяжелых ядер максимальная передаваемая энергия всегда меньше. Для ядра с массовым числом А максимальная передаваемая энергия рав на [7]

При единичном рассеянии действительная энергия, передаваемая ядру отда- чи, в зависимости от угла рассеяния изменяется в диапазоне от 0 до E(макс), при этом все значения энергии в данном диапазоне равновероят ны.

Из уравнения (13.3) видно, что для получения от нейтрона значительной энергии ядро-мишень должно иметь небольшую массу. Наиболее целесообразно использовать водород, как в газообразном состоянии, так и (что привычнее) в составе материалов жидких и пластмассовых сцинтилляторов (см. раздел 13.5). Широко используются детекторы, наполненные метаном (CH4), имеющим высокое содержание водорода, или 4He, для которого максимальная передаваемая энергия равна 0,64 E нейтрона. Газ 3He также соответствует указанным критериям, но он обычно не используется из-за характера реакций, описанных в разделе 13.4.1. На рис. 13.10 проиллюстрирована зависимость сечения упругого рассеяния для 1H è 4He от энергии нейтронов. При этом видно, что кривые этой зависимости соответствуют форме энергетического спектра нейтронов деления. Следует отметить, что данные значения сечений упругого рассеяния значительно меньше значений сечений для 3He è 10B, приведенных на рис. 13.4. Эффективность ре-

Ðèñ. 13.10. Зависимость сечения упругого рассеяния на 1H è 4He от энергии нейтронов (с наложением на рисунок кривой спектра нейтронов делени я)

гистрации быстрых нейтронов по реакции упругого рассеяния приблизительно на два порядка ниже, чем эффективность захвата тепловых нейтронов. Таким образом, единичный детектор, наполненный 4He èëè CH4, имеет собственную эффективность около 1 %.

Данные газонаполненные счетчики работают в режиме пропорциональных счетчиков при напряжении питания в диапазоне от 1200 до 2400 В. Давление газа в счетчиках, наполненных 4He, обычно колеблется от 10 до 20 атм. По сравнению с 4He многоатомные газы CH4 èëè H2 требуют более высокого рабочего напряжения, имеют несколько меньшую эффективность, более низкое давление газа и обеспечивают более короткое время нарастания импульсов. Чувствительность двух этих типов счетчиков к гамма-излучению примерно одинакова. При относительно высоком уровне дискриминации регистрация нейтронов может производиться в гамма-полях с мощностью дозы около 1 Р/ч [11].

На рис. 13.11 представлен спектр амплитуд импульсов пропорционального счетчика, наполненного 4He, полученный при регистрации нейтронов источника 252Cf. Наблюдаемая форма спектра определяется следующими фак торами:

1. энергетическим спектром нейтронов спонтанного деления 252Cf (ñì. ðèñ. 11.20);

2.вероятностью передачи ядру отдачи энергии в диапазоне от 0 до E(макс);