Detectoarele de încărcare directă sunt așa-numiții senzori de încărcare. Senzori de încărcare - senzori cu colectare forțată a sarcinii ( camera de vid , multiplicator secundar de electroni ) și senzori care generează o sarcină electrică (detector de emisie de sarcină directă (DPC)). Conform mecanismului de formare a sarcinii, DPZ este împărțit în:
Principiul de funcționare al DPZ se bazează pe emisia de particule β sau electroni care însoțesc interacțiunea substanței senzoriale cu neutronii și cuante gamma . Apariția particulelor β se datorează dezintegrarii radioactive a nucleului compusului , formată prin reacția (n, γ) . Electronii sunt produși în materialul emițător în principal ca rezultat al efectului fotoelectric și al împrăștierii Compton a cuantelor gamma prompte emise în reacția (n, γ). În funcție de utilizarea acestor două efecte principale, DPD este împărțit în Compton și activare . Particulele de înaltă energie emise ajung la colector și sunt absorbite de acesta. Curentul electric rezultat în circuitul senzorului este semnalul său de ieșire. Detector de încărcare directă - generator de curent .
Pentru prima dată, emisia β de izotopi radioactivi pentru detectarea fluxurilor de neutroni a fost folosită de autorii lui [1]. Cele mai utilizate materiale în aceste scopuri sunt: vanadiu , cobalt , rodiu , argint , cadmiu , erbiu , hafniu , platină .
Principalele avantaje ale DPZ:
Dezavantajele lor includ:
Avantajele DPZ au jucat un rol decisiv în introducerea lor largă în sistemele de control în reactor (IRMS) ale diferitelor tipuri de reactoare nucleare .
Din punct de vedere structural, DPZ este o cameră cilindrică cu un electrod central - un emițător, un electrod exterior - un colector (de regulă, acesta este un caz de detector) și un dielectric în stare solidă între electrozi.
Sensibilitatea neutronului DPZ este denumită în mod obișnuit raportul dintre puterea curentului detectorului de la neutroni și densitatea fluxului de neutroni neperturbați. Pentru activare și TDP Compton, sensibilitatea este o funcție a secțiunii transversale de activare a emițătorului macroscopic , a coeficientului de perturbare a fluxului de neutroni de către detector, a gradului de absorbție a cuantelor gamma și a electronilor din materialele emițătorului, izolatorului și colectorului, ca precum și în funcție de dimensiunile geometrice ale detectorului.
Instalarea unui detector de neutroni într-un mediu cu o absorbție notabilă a neutronilor termici poate reduce sensibilitatea acestuia, ceea ce se datorează temperaturii crescute a gazului neutron .
Pentru a obține o sensibilitate maximă, grosimea dielectricului trebuie să fie nerealist de mică și să se ridice la sutimi de milimetru. Trebuie remarcat faptul că există o procedură standardizată pentru determinarea sensibilității CPD-urilor neutronice produse în serie în canalul unui reactor nuclear, ceea ce implică faptul că curentul electric din circuitul detector, măsurat de un dispozitiv secundar, este determinat de efectul neutroni termici si epitermici pe partea sensibila . Acest lucru este valabil doar pentru unele cazuri speciale de utilizare a unui emițător de rodiu TPD, când alte contribuții la curentul TPD pot fi neglijate.
O caracteristică operațională importantă a DPZ este domeniul de măsurare în care citirile detectorului sunt proporționale cu densitatea fluxului de neutroni.
Conform estimărilor teoretice, valoarea limitei superioare a densității fluxului de neutroni pentru DPS cu emițători de rodiu, argint și vanadiu este de 10 17 -10 20 cm -2 s -1 . Limita inferioară de liniaritate a DPZ se datorează influenței radiațiilor gamma din reactor, curenților liniei de comunicație și curenților de la radionuclizi emițători cu viață lungă.
Rodiul are cea mai mare gamă de liniaritate (trei ordine zecimale), iar platina are cea mai mică gamă, care este, în esență, un gamma, mai degrabă decât un neutron CPD.
Pentru producția în serie de DPZ ca instrumente de măsurare standardizate, este importantă o caracteristică precum non-identitatea - răspândirea sensibilității într-un lot de DPZ cu același design. Neidentitatea inițială se datorează răspândirii caracteristicilor care afectează sensibilitatea: dimensiunile geometrice ale emițătorului și izolatorului, conductivitatea electrică a dielectricului și, într-o măsură mai mică, geometria colectorului.
Odată cu eliberarea DPZ, non-identitatea inițială a DPZ cu rodiu este de ± 2% sau mai puțin, iar argintul - până la ± 20%. În timpul funcționării, datorită influenței diferiților factori, neidentitatea DPZ crește.
Deoarece DPZ este folosit pentru a studia distribuția fluxurilor de neutroni pe volumul reactorului, o proprietate importantă a detectorului este localitatea. Calculele arată că dimensiunile DPZ nu caracterizează geometria acelui punct din reactor căruia i se poate atribui fluxul de neutroni măsurat. Dimensiunile regiunii în care se formează neutronii, care contribuie la citirile TPD, depind de proprietățile fizice neutronice ale mediului și de distribuția energiei neutronilor. Pentru rodiu DPZ, raza sferei, în care este furnizat 95% din semnalul detectorului, este egală cu 13 în apă; zece; 5 cm, iar în beriliu 19; 13 și 6 cm la un raport dintre densitatea fluxului de neutroni termici și densitatea de flux de neutroni epitermici egal cu 10; 20 și, respectiv, 30. În mediile care absorb puternic neutroni termici, de exemplu, în fiole masive cu probe de metal, localitatea DPZ este mult mai mare chiar și la un raport mult mai mic al densităților de flux ale neutronilor termici și epitermici. Nelocalitatea DPZ provoacă o inexactitate în descrierea unui câmp de neutroni neomogen din punct de vedere spațial în regiunile în care modificările gradientului de flux sunt semnificative.
Detectoarele de încărcare directă se numesc detectoare de neutroni sau gamma în funcție de contribuția predominantă la puterea curentului detectorului de la una sau alta radiație. În practică, în domeniul radiațiilor reactorului polienergetic, influența diferitelor mecanisme de generare a curentului depinde de materialele și proiectarea detectorului și de condițiile de funcționare a acestuia.
În cele mai studiate detectoare de activare cu rodiu, componenta instantanee a curentului detectorului, care este determinată în principal de efectul Compton din cuante gamma de captare radiativă a neutronilor, atinge 5-15% în condițiile zonelor active și reflectoarelor reactoarelor termice.
De obicei, se acceptă, iar acest lucru se confirmă experimental în reactoarele cu spectru de neutroni termici, că contribuția la puterea curentă a CPD de activare a rodiu din cuante gamma ale fondului extern este mică (aproximativ 1%). Această contribuție este mai semnificativă pentru DPS-urile Compton, a căror sensibilitate la neutroni este mult mai mică decât pentru cele cu rodiu.
Datorită prezenței nuclizilor activi γ și β cu viață lungă în lanțul de dezintegrare radioactivă, apare un curent suplimentar. De exemplu, contribuția dezintegrarii izomerului 104mRh (Т1/2=4,3 min) este semnificativă și în raport cu puterea curentă a 104Rh este de 7-8%.
Evident, pentru același detector, contribuția din dezintegrarea izomerului 104mRh nu poate depăși fracțiunea componentei instantanee, deoarece energia electronilor de conversie internă și a particulelor β de 104mRh este mult mai mică (0,5 și 0,3 MeV) decât energia medie a particulelor β- de dezintegrare radioactivă 104Rh (2,44 MeV) și electroni Compton din razele gamma de captare a radiațiilor (energia medie a razelor gamma 1,72 MeV), iar pierderea lor într-un izolator relativ gros (mai mult de 0,2 mm) este semnificativă datorită drumului liber scurt.
În general, caracteristicile DPD sunt afectate nu numai de caracteristicile sale de proiectare și de proprietățile materialelor utilizate, ci și de condițiile sale de funcționare (intensitatea și spectrul neutronilor, temperatura gazului neutron, timpul și temperatura de funcționare a detectorului, condițiile de plasare a comunicației). linii etc.). Prin urmare, estimările calculate ale caracteristicilor detectorilor sunt aproximative, adesea de natură calitativă. Cu toate acestea, ele pot fi utilizate pentru a evalua oportunitatea utilizării detectorului în anumite condiții experimentale. Cei mai importanți factori care afectează caracteristicile metrologice ale DPZ ar trebui să includă: arderea materialului emițător și generarea de curent în cablul liniei de comunicație.
Curenții care apar în linia de comunicație se datorează în principal activării materialelor cablurilor de către neutroni, absorbției radiațiilor gamma din reactorul din cablu și curenților termici. Se crede că principala contribuție la curentul liniei de comunicație de la un cablu coaxial (80-90%) este făcută de radiația gamma a reactorului.
În general, curenții de linie degradează liniaritatea TPS-ului, mai ales când sensibilitatea detectorului este scăzută. Creșterea rezistenței de izolație a cablului îmbunătățește situația. Pentru a crește rezistența de izolație, este de dorit, dacă este posibil, să creșteți diametrul cablului coaxial sau să îl abandonați cu totul.
În plus față de curenții liniei de comunicație, rolul fundalului în semnalul neutron DPS este jucat de curenții care apar din cauza sensibilității detectorului la radiația gamma a reactorului (în principal radiația produselor de fisiune cu viață lungă ) și la particulele încărcate. Carcasa metalică a DPZ și pereții canalului în care se află protejează eficient împotriva particulelor încărcate.
Sarcina electrică de volum care apare în dielectric ca urmare a termalizării particulelor β emise creează un câmp electric în acesta, în care, în prezența purtătorilor de sarcină liberi, apare un curent de conducere și când intensitatea se modifică în timp, un curent de deplasare. Când grosimea dielectrică este mai mică de 0,2 mm, influența încărcăturii spațiale poate fi neglijată. Interferența electromagnetică generală, în principiu, poate afecta citirile DPS chiar și în prezența unui colector împământat (dacă acesta nu este împământat la un moment dat). Această interferență poate fi eliminată prin filtrarea semnalului.
Influența temperaturii asupra citirilor DPD se datorează unei modificări a proprietăților electrice ale dielectricului, conducând, în special, la o creștere a curentului de scurgere. Această putere a curentului este neglijabilă dacă este îndeplinită condiția Riz>>Rpr (Riz, Rpr sunt rezistența de izolație și rezistența de intrare a dispozitivului). Odată cu creșterea temperaturii, curenții de difuzie termică în dielectric cresc, asociate cu o distribuție neuniformă a purtătorilor de sarcină și o creștere a mobilității acestora. Sensibilitatea rezultată la temperatură a TMD poate fi semnificativ mai mare decât cea prevăzută doar ca urmare a influenței forței termoelectromotoare (TEMF).
Când se utilizează DPS pentru a înregistra moduri cu modificări rapide ale densității fluxului de neutroni, influența curentului de polarizare, fundalul gamma al reactorului și curenții liniei de comunicație crește. TPD-urile cu activare cu rodiu pot fi utilizate pentru a înregistra moduri variabile care apar la o rată de până la 20%/s folosind un corector de inerție analog. În Compton DPS, posibilitățile de înregistrare a modurilor variabile sunt limitate de componenta de activare, care ajunge la 8–20% în diverse reactoare și diferite condiții de funcționare.
În instalațiile cu reactoare, DPZ este utilizat în condiții de expunere la radiații intense din reactor și temperaturi ridicate. Circuitele și sistemele de măsurare și de calcul utilizate în acest caz nu diferă fundamental și constau, de regulă, dintr-un comutator de semnal de nivel scăzut, un amplificator de curent, un convertor analog-digital (ADC), un cablu de semnal și un PC.