Direkte ladningsdetektorer er såkaldte ladningssensorer. Ladningssensorer - sensorer med tvungen ladningsopsamling ( vakuumkammer , sekundær elektronmultiplikator ) og sensorer, der genererer en elektrisk ladning (direkte ladningsemissionsdetektor (DPC)). Ifølge mekanismen for ladningsdannelse er DPZ opdelt i:
Funktionsprincippet for DPZ er baseret på emissionen af β-partikler eller elektroner , der ledsager interaktionen af sensorstoffet med neutroner og gammakvanter . Forekomsten af β-partikler skyldes det radioaktive henfald af den sammensatte kerne , dannet af (n, γ) reaktionen . Elektroner produceres i emittermaterialet hovedsageligt som et resultat af den fotoelektriske effekt og Compton-spredning af prompte gamma-kvanter , der udsendes i (n, γ) reaktionen. Ifølge brugen af disse to hovedeffekter er DPD opdelt i Compton og aktivering . De udsendte højenergipartikler når opsamleren og absorberes af den. Den resulterende elektriske strøm i sensorkredsløbet er dets udgangssignal. Direkte ladningsdetektor - strømgenerator .
For første gang blev β-emission af radioaktive isotoper til påvisning af neutronflux brugt af forfatterne til [1]. De mest udbredte materialer til disse formål er: vanadium , kobolt , rhodium , sølv , cadmium , erbium , hafnium , platin .
De vigtigste fordele ved DPZ:
Deres ulemper omfatter:
Fordelene ved DPZ spillede en afgørende rolle i deres brede introduktion i reaktorkontrolsystemerne (IRMS) af forskellige typer atomreaktorer .
Strukturelt er DPZ et cylindrisk kammer med en central elektrode - en emitter, en ydre elektrode - en kollektor (som regel er dette et detektorhus) og et solid-state dielektrikum mellem elektroderne.
Følsomheden af neutronen DPZ omtales almindeligvis som forholdet mellem strømstyrken af detektoren fra neutroner og tætheden af den uforstyrrede neutronflux. For aktivering og Compton TDP'er er følsomheden en funktion af det makroskopiske emitteraktiveringstværsnit, neutronfluxforstyrrelseskoefficienten af detektoren, graden af absorption af gammakvanter og elektroner i materialerne i emitteren, isolatoren og kollektoren, som samt en funktion af detektorens geometriske dimensioner.
Installation af en neutrondetektor i et miljø med en mærkbar absorption af termiske neutroner kan reducere dens følsomhed, hvilket skyldes den øgede temperatur af neutrongassen .
For at opnå maksimal følsomhed skal tykkelsen af dielektrikumet være urealistisk lille og beløbe sig til hundrededele af en millimeter. Det skal bemærkes, at der er en standardiseret procedure til bestemmelse af følsomheden af serieproducerede neutron-CPD'er i kanalen i en atomreaktor, hvilket indebærer, at den elektriske strøm i detektorkredsløbet, målt af en sekundær enhed, bestemmes af effekten af termiske og epitermiske neutroner på den følsomme del . Dette gælder kun for nogle specielle tilfælde af brug af en rhodium-emitter TPD, når andre bidrag til TPD-strømmen kan negligeres.
En vigtig funktionskarakteristik af DPZ er måleområdet, inden for hvilket detektoraflæsningerne er proportionale med neutronfluxtætheden.
Ifølge teoretiske skøn er værdien af den øvre grænse for neutronfluxtætheden for DPS med rhodium-, sølv- og vanadiumemittere 10 17 -10 20 cm -2 s -1 . Den nedre grænse for linearitet af DPZ skyldes påvirkningen af gammastråling fra reaktoren, strømme fra kommunikationslinjen og strømme fra langlivede emitterradionuklider .
Rhodium har det største linearitetsområde (tre decimaler), og platin har det mindste område, som i det væsentlige er en gamma snarere end en neutron CPD.
For serieproduktion af DPZ som standardiserede måleinstrumenter er en sådan karakteristik som ikke-identitet vigtig - spredningen af følsomhed i en batch af DPZ af samme design. Den oprindelige ikke-identitet skyldes spredningen af de egenskaber, der påvirker følsomheden: emitterens og isolatorens geometriske dimensioner, dielektrikumets elektriske ledningsevne og, i mindre grad, opsamlerens geometri.
Med frigivelsen af DPZ er den oprindelige ikke-identitet af rhodium DPZ ± 2% eller mindre, og sølv - op til ± 20%. Under driften, på grund af indflydelsen af forskellige faktorer, øges ikke-identiteten af DPZ.
Da DPZ bruges til at studere fordelingen af neutronflux over reaktorens volumen, er en vigtig egenskab ved detektoren lokalitet. Beregninger viser, at dimensionerne af DPZ'en ikke karakteriserer geometrien af det punkt i reaktoren, som den målte neutronflux kan tilskrives. Dimensionerne af det område, inden for hvilket neutroner dannes, som bidrager til aflæsningerne af TPD, afhænger af mediets neutronfysiske egenskaber og neutronernes energifordeling. For rhodium DPZ er kuglens radius, inden for hvilken 95% af detektorsignalet leveres, lig med 13 i vand; ti; 5 cm, og i beryllium 19; 13 og 6 cm ved et forhold mellem den termiske neutronfluxtæthed og den epitermiske neutronfluxtæthed lig med 10; henholdsvis 20 og 30. I medier, der absorberer kraftigt termiske neutroner, for eksempel i massive ampuller med metalprøver, er lokaliteten af DPZ meget højere selv ved et meget lavere forhold mellem fluxtæthederne af termiske og epitermiske neutroner. Ikke-lokaliteten af DPZ forårsager en unøjagtighed i beskrivelsen af et rumligt inhomogent neutronfelt i områder, hvor ændringer i fluxgradienten er betydelige.
Direkte ladningsdetektorer kaldes neutron- eller gammadetektorer efter det overvejende bidrag til detektorens strømstyrke fra en eller anden stråling. I praksis, inden for polyenergetisk reaktorstråling, afhænger indflydelsen af forskellige strømgenereringsmekanismer af detektorens materialer og design og af driftsbetingelserne.
I de mest undersøgte rhodiumaktiveringsdetektorer når den øjeblikkelige komponent af detektorstrømmen, som hovedsageligt bestemmes af Compton-effekten fra gamma-kvanter af neutronstrålingsindfangning, 5-15% under forhold med aktive zoner og reflektorer i termiske reaktorer.
Det er sædvanligvis accepteret, og dette bekræftes eksperimentelt i reaktorer med et termisk neutronspektrum, at bidraget til strømstyrken af rhodiumaktiverings-CPD fra gamma-kvanter af den eksterne baggrund er lille (ca. 1%). Dette bidrag er mere signifikant for Compton DPS'er, hvis følsomhed over for neutroner er meget lavere end for rhodium.
På grund af tilstedeværelsen af langlivede γ- og β-aktive nuklider i den radioaktive henfaldskæde, opstår der en yderligere strøm. For eksempel er bidraget fra henfaldet af 104mRh-isomeren (Т1/2=4,3 min) signifikant og i forhold til strømstyrken på 104Rh er 7-8%.
For den samme detektor kan bidraget fra henfaldet af 104mRh-isomeren naturligvis ikke overstige fraktionen af den øjeblikkelige komponent, da energien af de interne omdannelseselektroner og β-partikler på 104mRh er meget lavere (0,5 og 0,3 MeV) end gennemsnitlig energi af β-- partikler af radioaktivt henfald 104Rh (2,44 MeV) og Compton elektroner fra gammastråler af strålingsindfangning (gennemsnitlig energi af gammastråler 1,72 MeV), og deres tab i en relativt tyk isolator (mere end 0,2 mm) er signifikant på grund af kort fri vej.
Generelt påvirkes DPD'ens egenskaber ikke kun af dens designfunktioner og egenskaberne af de anvendte materialer, men også af dens driftsbetingelser (neutronintensitet og spektrum, neutrongastemperatur, detektordriftstid og temperatur, betingelser for placering af kommunikation linjer osv.). Derfor er de beregnede estimater af detektorernes egenskaber omtrentlige, ofte af kvalitativ karakter. Ikke desto mindre kan de bruges til at evaluere hensigtsmæssigheden af at bruge detektoren under visse eksperimentelle forhold. De vigtigste faktorer, der påvirker DPZ'ens metrologiske egenskaber, bør omfatte: udbrænding af emittermaterialet og generering af strøm i kommunikationslinjens kabel.
Strømmene, der opstår i kommunikationslinjen, skyldes hovedsageligt aktivering af kabelmaterialer af neutroner, absorption af gammastråling fra reaktoren i kablet og termiske strømme. Det antages, at hovedbidraget til kommunikationslinjens strøm fra et koaksialkabel (80-90%) er lavet af reaktorens gammastråling.
Generelt forringer linjestrømme lineariteten af TPS, især når detektorfølsomheden er lav. Forøgelse af kabelisoleringsmodstanden forbedrer situationen. For at øge isolationsmodstanden er det ønskeligt, hvis det er muligt, at øge koaksialkablets diameter eller helt at opgive det.
Ud over kommunikationslinjestrømmene spilles baggrundens rolle i neutron-DPS-signalet af strømme, der opstår på grund af detektorens følsomhed over for reaktorens gammastråling (hovedsageligt strålingen fra langlivede fissionsprodukter ) og til ladede partikler. DPZ'ens metalskal og væggene i kanalen, hvori den er placeret, beskytter effektivt mod ladede partikler.
Volumenet elektrisk ladning, der opstår i dielektrikumet på grund af termaliseringen af de udsendte β-partikler, skaber et elektrisk felt i det, hvori der i nærværelse af frie ladningsbærere opstår en ledningsstrøm, og når intensiteten ændres med tiden, en forskydningsstrøm. Når den dielektriske tykkelse er mindre end 0,2 mm, kan rumladningens indflydelse negligeres. Generel elektromagnetisk interferens kan i princippet påvirke aflæsningerne af DPS, selv i nærværelse af en jordet solfanger (hvis den ikke er jordet på et punkt). Denne interferens kan elimineres ved at filtrere signalet.
Temperaturens indflydelse på aflæsningerne af DPD skyldes en ændring i dielektrikumets elektriske egenskaber, hvilket især fører til en stigning i lækstrømmen. Denne strømstyrke er ubetydelig, hvis betingelsen Riz>>Rpr er opfyldt (Riz, Rpr er enhedens isolationsmodstand og indgangsmodstand). Med en stigning i temperaturen stiger termiske diffusionsstrømme i dielektrikumet, forbundet med en ujævn fordeling af ladningsbærere og en stigning i deres mobilitet. Den resulterende temperaturfølsomhed af TMD kan være væsentligt højere end forudsagt kun som følge af påvirkningen af termoelektromotorisk kraft (TEMF).
Når du bruger DPS til at registrere tilstande med hurtige ændringer i neutronfluxtætheden, øges påvirkningen af forspændingsstrømmen, reaktorens gammabaggrund og kommunikationslinjestrømmene. Rhodium-aktiverings-TPD'er kan bruges til at optage variable tilstande, der forekommer med en hastighed på op til 20 %/s ved hjælp af en analog inertikorrektor. I Compton DPS er mulighederne for at registrere variable tilstande begrænset af aktiveringskomponenten, som når 8-20% i forskellige reaktorer og forskellige driftsforhold.
I reaktoranlæg anvendes DPZ under forhold, hvor der udsættes for intens reaktorstråling og forhøjede temperaturer. Kredsløbene og måle- og computersystemerne, der anvendes i dette tilfælde, adskiller sig ikke grundlæggende og består som regel af en lavniveausignalomskifter, en strømforstærker, en analog-til-digital konverter (ADC), et signalkabel og en PC.