394 |
Т. В. Крейн и М. П. Бейкер |
Ðèñ. 13.11. Спектр амплитуд импульсов пропорционального счетчика, наполненного 4He, при регистрации нейтронов источника 252Cf
3.вероятностью многократных рассеяний нейтронов, а также вероятностью потери энергии ядер отдачи в стенках корпуса счетчика [12] (в качестве примера см. также рис. 8.14);
4.регистрацией низкоамплитудных шумовых импульсов и наложений импульсов от гамма-квантов.
Âрезультате воздействия указанных факторов в начальном энергетическом спектре нейтронов четко выраженный пик может практически отсутствовать, как показано на рис. 13.11. Несмотря на это, часть информации сохраняется, а часть — может быть получена посредством учета перечисленных факторов. Как правило, порог дискриминации устанавливается достаточно высоким для исключения шумов и импульсов от гамма-квантов в низкоэнергетической области и одновременно достаточно низким для регистрации значительного количества импульсов от нейтронов средней и высокой энергии. Так как порог дискриминации устанавливается по резко нисходящей кривой, детекторы на ядрах отдачи менее стабильны, чем детекторы тепловых нейтронов.
Несмотря на такие очевидные недостатки детекторов на ядрах отдачи, как их низкие эффективность и стабильность, регистрация нейтронов этими детекторами осуществляется без предварительного замедления нейтронов. Таким образом, регистрация нейтронов осуществляется очень быстро, и при этом частично сохраняется информация об их начальной энергии. Счетчики быстрых нейтронов позволяют регистрировать нейтроны с энергией от 20 кэВ до 20 МэВ, некоторые из них используются для быстрого счета совпадений с временем разрешения от 10 до 100 нс. Можно также установить такой порог дискриминации, при котором не будут регистрироваться импульсы от гамма-квантов и низкоэнергетических нейтронов, что имеет особое значение в системах активного ан ализа.
13.4.3 Камеры деления
Камеры деления являются разновидностью газонаполненных счетчиков, рассмотренных выше. Они регистрируют нейтроны, вызывающие вынужденное деление ядер делящегося материала, которым покрыты внутренние стенки камеры. Часто внешне камеры деления похожи на другие газонаполненные счетчики, хотя существуют камеры меньших диаметров и других форм. В качестве делящегося материала обычно используется высокообогащенный 235U. На внутренние стенки методом электролиза (иногда испарением или кистью) наносится очень тонкий слой урана (поверхностная плотность от 0,02 до 2 мг/см2), который находится в непосредственном контакте с газом детектора. Образующиеся в результате деления осколки движутся практически в противоположных направлениях.
Глава 13. Детекторы нейтронов |
395 |
Ионизация, вызванная попавшим в газ осколком деления, регистрируется детектором; осколок, движущийся в противоположном направлении, поглощается стенками детектора [13].
Между осколками распределяется энергия деления, равная примерно 160 МэВ, но длина пробега осколков невелика. Средняя длина пробега осколков деления в таком типичном материале покрытия, как уран, не превышает 7 мкм, что соответствует толщине покрытия, примерно равной 13 мг/см2. Следовательно, осколки деления, образовавшиеся в стенках детектора на глубине более 7 мкм, не могут достичь газа и вызвать ионизацию. Более того, большинство осколков движутся по касательным к поверхности покрытия, и поэтому длина их пробега больше минимально необходимой для выхода в газ. Поскольку для обеспечения выхода осколков деления в газ слой покрытия должен быть тонким, в камерах деления используются незначительные количества делящегося материала, что обусловливает их низкую эффективность регистрации. Собственная эффективность регистрации тепловых нейтронов камерами деления обычно составляет 0,5 — 1 %. Регистрация быстрых нейтронов камерами деления также возможна, но с еще более низкой эффективностью.
Камеры деления работают в режиме ионизационной камеры, поскольку ионизация, вызванная осколками деления, вполне достаточна и дополнительного газового усиления не требуется. Схема электроники, часто используемая совместно с камерами деления, показана на рис. 13.1. Напряжение источника питания выбирается в диапазоне от 200 до 600 В. Газом-наполнителем обычно является смесь аргона (90 %) и метана (10 %). При нормальном давлении пробег осколков деления в газе составляет 2 см.
На рис. 13.12 показан спектр амплитуд импульсов от камеры деления с покрытием из 235U [14]. Если потери энергии в урановом покрытии или стенках корпуса не слишком велики, наблюдается двугорбая форма спектра, соответствующая энергиям легкого и тяжелого осколков деления (около 70 и 100 МэВ). Поскольку почти любой делящийся материал содержит альфа-излучающие изотопы, в низкоэнергетической области спектра также наблюдаются фоновые импульсы, образованные альфа-частицами. Энергия альфа-частиц равна примерно 5 МэВ, в то время как энергия осколков деления на порядок выше. Таким образом порог дискриминации может устанавливаться выше сигналов от альфа-частиц. При таком
Ðèñ. 13.12. Спектр амплитуд импульсов камеры деления с покрытием из 235U с поверхностной плотностью около 0,8 мг/см2
396 |
Т. В. Крейн и М. П. Бейкер |
пороге часть импульсов от осколков с низкими энергиями теряется. Альфа-ак- тивность плутония выше, чем у урана, следовательно, при использовании камер деления с покрытием из плутония фон альфа-частиц будет выше и порог дискриминации должен устанавливаться также выше, чем для камер с покрытием из урана.
Ввиду значительной энергии осколков деления, из всех нейтронных детекторов камеры деления наименее чувствительны к гамма-излучению (примерно до 106 Р/ч). Лишь использование камер деления дает возможность осуществить прямой нейтронный контроль отработавшего ядерного топлива без дополнительной защиты. Камеры деления позволяют проводить пассивные измерения в больших нейтронных и гамма-полях. Присущая камерам деления низкая эффективность компенсируется возможностью регистрации значительного числа нейтронов.
13.4.4 Детекторы с покрытием из 10B
Детекторы с покрытием из 10B занимают промежуточное положение между пропорциональными счетчиками, наполненными 3He è 10BF3, и камерами деления с точки зрения эффективности регистрации нейтронов и чувствительности к гамма-излучению. Конструктивно детекторы с покрытием из 10B похожи на камеры деления, использующие в качестве радиатора чувствительный к нейтронам бор, который очень тонким слоем (около 0,2 мг/см2) наносится на стенки детектора.
Регистрация нейтронов детекторами с покрытием из 10B основана на реакции, выраженной уравнением (13.2). В газ попадает либо альфа-частица, либо ядро лития (но не обе частицы, поскольку они излучаются в противоположные стороны), и происходит процесс регистрации. Так как пробег альфа-частиц в боре составляет около 1 мг/см2, покрытие должно быть тонким; эффективность регистрации (порядка 10%) при этом ниже, чем у счетчиков, наполненных BF3. Однако, поскольку ядерная реакция протекает не в газе-наполнителе, состав газа может быть оптимизирован с точки зрения временного разрешения. В качестве га- за-наполнителя обычно используется аргон под давлением 0,25 атм с небольшой добавкой CO2. Счетчик работает в пропорциональном режиме при рабочем напряжении от 600 до 850 В [15].
На рис. 13.13 показан спектр амплитуд импульсов камеры с покрытием из 10B, описанной выше. Ступенчатая форма спектра обусловлена тем, что в газ могут попадать как альфа-частицы, так и ядра лития. Поскольку более легкая альфа-час- тица уносит больше энергии, импульсам альфа-частиц соответствует на рисунке крайняя правая ступень. Из-за потери энергии частиц в борном покрытии стенок образуется большое число низкоэнергетических импульсов. Порог дискриминации устанавливается обычно выше этих низкоэнергетических импульсов. Из-за отсутствия четко определенного “провала”, по которому мог бы устанавливаться порог дискриминации, наклон счетной характеристики составляет примерно 10 % на 100 В [15].
Счетчики с покрытием из 10B имеют среднюю эффективность регистрации тепловых нейтронов и низкую эффективность регистрации быстрых нейтронов. Их удобно использовать для регистрации нейтронов в высоких гамма-полях. При наличии соответствующей электроники эти детекторы могут работать в гам- ма-полях с мощностью дозы до 1000 Р/ч с 50 % потерей эффективности регистра-