ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 4, с. 20-24
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.107.3
УМЕНЬШЕНИЕ МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ СЧЕТЧИКОВ НЕЙТРОНОВ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПОТОКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2008 г. К. А. Балыгин, М. Д. Каретников, Е. А. Мелешко, Г. В. Яковлев
РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Курчатова, 1 Поступила в редакцию 24.09.2007 г.
При облучении пропорционального счетчика нейтронов мощным импульсным потоком тормозного излучения за счет первичной и вторичной ионизации в межэлектродном промежутке возникает высокая плотность заряженных частиц. Из-за разделения зарядов в межэлектродном промежутке наводится внутреннее электрическое поле, приводящее к уменьшению коэффициента газового усиления ниже порога регистрации нейтронов. Время задержки регистрации нейтронов (мертвое время) счетчика после вспышки тормозного излучения может составлять более 100 мкс. Разработано устройство для коммутации высокого напряжения на счетчике нейтронов на время испускания тормозного излучения и проведены эксперименты по регистрации мгновенных нейтронов деления, испускаемых после облучения делящегося вещества имульсным потоком тормозного излучения. Результаты показали, что при использовании данного устройства время задержки регистрации нейтронов уменьшается в несколько раз.
PACS: 29.40.Cs, 25.85.Jg, 25.20.Lj
1. ВВЕДЕНИЕ
Газонаполненные пропорциональные счетчики широко используются для измерения потока нейтронов в ядерно-физических исследованиях. Наибольшее распространение получили счетчики, заполненные 3Не под давлением, что связано с их высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. При захвате нейтрона ядром 3Не выделяющаяся энергия (765 кэВ) передается ядру трития 3Н и протону, вызывающим первичную ионизацию. Под действием внешнего электрического поля первичные электроны производят вторичную (лавинную) ионизацию. Общее количество вторичных электронов, рождающихся от одного первичного электрона (коэффициент газового усиления (к.г.у.)), обычно составляет 104-105. Поскольку лавина формируется в области большой напряженности электрического поля вблизи анода (центрального электрода) пропорционального счетчика, образовавшиеся вторичные электроны собираются анодом в течение короткого (~сотни наносекунд) времени. Вторичные ионы практически не влияют на время сбора электронной компоненты, и при использовании быстрой регистрирующей электроники мертвое время счетчика может быть меньше 1 мкс при регистрации нейтронов в условиях низкого фона [1].
Ситуация существенно меняется при облучении пропорционального счетчика мощным импульсным потоком тормозного излучения. Фото-
ны производят первичную ионизацию в процессах фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования пар. При мощности экспозиционной дозы 1 мР/импульс в 1 см3 рабочего вещества счетчика образуется более 106 первичных электронов. В процессах вторичной ионизации плотность заряженных частиц увеличивается на несколько порядков. Однако за счет более быстрой диффузии электронов в межэлектродном промежутке возникает положительный пространственный заряд, создающий электростатическое поле, частично или полностью компенсирующее внешнее (приложенное) электрическое поле. В результате происходит уменьшение к.г.у., и на время переходного процесса возникает заметный ток между анодом и катодом. Время задержки регистрации нейтронов ^ (мертвое время) после импульса тормозного излучения может составлять >100 мкс [2].
Для счетчика конкретного типа величина ^ определяется поглощенной дозой тормозного излучения. Очевидным, но не всегда возможным вариантом уменьшения ^ является экранирование счетчика с помощью массивной защиты. Для снижения ^ могут также использоваться нейтронные детекторы с низкой чувствительностью к у-излу-чению, например кремниевые нейтронные детекторы, камеры деления и др. Однако эффективность регистрации нейтронов этими детекторами
]п, отн. ед 1.0
Qn, отн. ед.
1.0
(а)
(б)
100 150 200 250
t, МКС
Рис. 1. Расчетная временная зависимость плотности потока ]п (сплошная линия) и количества Qn нейтронов, попавших на детектор при воздействии тормозного излучения на 238и.
существенно меньше по сравнению с газонаполненными пропорциональными счетчиками [3].
Для некоторых задач прикладной ядерной физики уменьшение времени задержки регистрации детектора нейтронов весьма актуально. Например, при реализации фотоядерного метода дистанционного обнаружения делящихся веществ (см. ниже) для регистрации мгновенных нейтронов используются нейтронные детекторы на основе пластикового замедлителя и газонаполненных счетчиков [2, 4, 5]. На рис. 1 приведена расчетная временная зависимость плотности потока ]п и количества нейтронов Qn, попавших на детектор сразу после вспышки зондирующего тормозного излучения. Характерное время т0 спада плотности потока нейтронов для случая облучения 238и составляет около 50 мкс. При относительно малом потоке нейтронов (когда наложением импульсов можно пренебречь) количество нейтронов Qn падает с увеличением времени ^ пропорционально ехр(—й/т0) и при больших временах (порядка 100 мкс) составляет 14% от общего количества нейтронов, попавших на детектор.
Эффективным способом уменьшения времени задержки регистрации является импульсная коммутация высокого напряжения, когда рабочее напряжение снимается со счетчика нейтронов на время испускания тормозного излучения. В этом случае процессы вторичной ионизации рабочего вещества счетчика не развиваются, поскольку внешнее электрическое поле отсутствует. По сравнению со случаем включенного счетчика плотность заряженных частиц в межэлектродном промежутке снижается на несколько порядков, что приводит к существенному уменьшению (до не-
Рис. 2. Схемы включения счетчика.
скольких микросекунд) длительности переходного процесса. После окончания вспышки тормозного излучения и переходного процесса напряжение подается на счетчик, который начинает регистрировать нейтроны в условиях относительно низкого собственного и внешнего фонов.
2. ИМПУЛЬСНЫМ КОММУТАТОР ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Типичная схема включения нейтронного счетчика приведена на рис. 2а. Анод находится под положительным высоким напряжением, катод заземлен, сигнал снимается с анода и поступает на выход через развязывающий конденсатор Сь. При использовании данной схемы в случае импульсной коммутации высокого напряжения на выходе возникал бы перепад напряжения недопустимо большой амплитуды. В связи с этим была использована схема включения счетчика с катодом под отрицательным высоким напряжением (рис. 26). Сигнал с анода, находящегося под низким потенциалом, снимается через низкоомное (50 Ом) сопротивление Яа. На длительность переходных процессов и амплитуду сигнала, наводимого при коммутации высокого напряжения, оказывают влияние емкость корпуса счетчика Сс (несколько десятков пикофарад) и переходная емкость С (~10 пФ).
Разработанный коммутатор высокого напряжения состоит из двух блоков: блока таймера БТ и блока управления высоким напряжением БУВН (рис. 3). Связь между ними осуществляется по коаксиальному кабелю через оптронную развязку. В начальном состоянии высокое напряжение на счетчик нейтронов не подается (на входе БУВН выставлена логическая "1").
Запуск БТ осуществляется стартовым т.т.л.-импульсом (синхроимпульсом), совмещенным с моментом генерации тормозного излучения.
БТ
Этот импульс поступает на компаратор, который вырабатывает запускающий импульс для одновиб-ратора, длительность импульса которого определяет время задержки включения БУВН относительно синхроимпульса. Одновибратор по спаду импульса с компаратора вырабатывает управляющий импульс на блок высокого напряжения.
Стартовый импульс
Импульс тормозного излучения
Импульс на выходе блока таймера
Высокое напряжение на счетчике
Рис. 4. Временные диаграммы работы коммутатора высокого напряжения.
Управляющий импульс поступает на вход оп-трона Оп в БУВН и открывает ЮБТ-транзистор Т2, через который на счетчик СНМ-18 подается высокое напряжение иш. После снятия управляющего импульса ЮБТ-транзистор закрывается, и счетчик разряжается через резистор Я4. Интегрирующая цепь Я2, С1 замедляет скорость включения ЮБТ-транзистора для уменьшения сигнала, наводимого на выходном сопротивлении Я5. Поскольку коммутируемые узлы БУВН находятся под высоким напряжением, их питание осуществляется от аккумуляторных батарей.
Временные диаграммы работы устройства представлены на рис. 4. Длительность переходных процессов и амплитуда сигнала, наводимого на выходе устройства при коммутации высокого напряжения, измерялись двухканальным осциллографом при запуске от генератора импульсов Г5-54. Для счетчика СНМ-18 время выключения ¿о составило 60 мкс, минимальное время включения ц = 1 мкс, при этом на сопротивлении Я5 наводился импульс амплитудой 8 В.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные исследования по уменьшению времени задержки регистрации счетчика нейтронов с помощью импульсной коммутации
г
Ч
г
о
Рис. 5. Основные элементы экспериментальной модели и их расположение. ДВ - делящееся вещество.
высокого напряжения проводились на ускорителе электронов У-28 в Радиационно-ускоритель-ном центре (РУЦ) МИФИ в рамках работ по исследованию фотоядерного метода для дистанционного обнаружения делящихся веществ [4]. Физической предпосылкой фотоядерного метода является то, что делящиеся вещества имеют относительно низкий порог рождения фотонейтронов (<7 МэВ), тогда как для конструкционных материалов этот порог значительно выше (>10 МэВ) [2-4]. При облучении объекта тормозным излучением с максимальной энергией 8-10 МэВ можно определять наличие
делящихся веществ по повышенному потоку нейтронов.
Схема эксперимента приведена на рис. 5. Электронный пучок выходит из ускорителя и преобразуется медным конвертером толщиной 1.2 мм в поток тормозного излучения. Алюминиевый фильтр толщиной 2.5 см задерживает оставшиеся электроны пучка, но пропускает тормозное излучение. Коллиматор формирует остронаправленный поток тормозного излучения в направлении объекта
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.