Принцип работы ионизационных камер для контроля потока нейтронов

Для регистрации ионизирующих излучений используют различные методы, основанные на измерении результата взаимодействия излучений с веществом.

Например, g-кванты образуют в веществе детектора быстрые электроны за счет фотоэффекта, комптон-эффекта, или эффекта образования пар электрон-позитрон. Эти электроны регистрируются благодаря вызываемой ими ионизации.

Нейтроны детектируются посредством двухступенчатого процесса, так как взаимодействие между нейтронами и электронами, обусловлен­ное их магнитными моментами, очень мало и не может привести к ионизации атомов при прохождении нейтронов через вещество.

Нейтроны могут быть зарегистрированы в результате ядерной реакции, сопровождаемой вылетом заряженных частиц, которые фиксируются детектором.

Таким образом, для регистрации нейтронов необходимо иметь радиатор, содержащий ядра, на которых происходит реакция, сопровождающаяся вылетом заряженных частиц.

В связи с тем, что в работающем реакторе необходимо регистрировать нейтронное излучение и в некоторых случаях g-излучение, количество методов, нашедших практическое применение, оказывается ограниченным.

В качестве «детектирующих» наиболее часто используются реакции

и реакция деления урана-235 (камеры деления).

Для регистрации вторичных частиц (а -частицы, осколки деления или электроны), образовавшихся в результате взаимодействия нейтронов или g-квантов с веществом, обычно используется способность заряженных частиц ионизировать газы.

Поместив в объем, содержащий газ, электроды в виде двух пластин или цилиндров и приложив к ним электрическую разность потенциалов, получим ток, пропорциональный количеству заряженных частиц и их ионизирующей способности.

Такое устройство для детектирования частиц получило название ионизационная камера.

Для регистрации нейтронов применяются и онизационные камеры (ИК), которые делятся на импульсные и токо­вые.

В камере импульсного типа каждая детектируемая частица произ­водит импульс тока (счетчики). Камерами токовыми называют устройства, регистрирующие средний уровень излучения. При этом ток ионизационной камеры определяется интенсивностью излучения.

Ионизационные камеры и счетчики используются, как правило, для измерения нейтронного потока вне активной зоны (в сухой защите), т. е. измеряют нейтроны утечки из активной зоны.

Работа ионизационных камер основана на собирании ионов, возни­кающих при прохождении через камеру ионизирующего излучения.

При облучении газа ионизирующими излучениями возникают два про­цесса: ионизации и рекомбинации.

При прохождении заряженной частицы через вещество ее электри­ческое поле взаимодействует с электронной оболочкой атомов. В ре­зультате часть электронов отрывается от атомов и на пути частицы об­разуются положительные ионы.

При прохождении через вещество электромагнитное излучение (у-кванты) поглощается в результате комптоновского рассеяния и образования электрон-позитронных пар. В каждом из этих процессов возникают заряженные частицы (электроны, позитроны), которые спо­собны ионизировать атомы среды.

Принцип работы нейтронных ионизаци­онных камер основан на ионизирующем действии частиц, возникающих в результате реакций типа
(n,a), (n,p), (n,f).

Камеры с использованием реакции (п,a) – это борные камеры.

с использованием реакции (п,р) – это гелиевые камеры,

с использованием реакции (n,f) - это камеры деления

В общем случае к достоинствам ионизационных камер можно от­нести их безинерционность.

К недостаткам - выгорание и необходи­мость высокого напряжения для электропитания камер, что приводит к повышенным требованиям к их изоляции.

Используются ионизационные камеры следующих типов:

КН - с газообразным радиатором:

КНТ - камеры с радиаторами в виде твердого покрытия:

КНК - камеры для измерения нейтронного потока, компенсиро­ванные к влиянию y-фона (как с твердым покрытием, так и с газообраз­ным радиатором).

Ток в цепи камеры зависит также и от приложенного к электродам напряжения, поскольку при небольшом напряжении будет происходить частичная рекомбинация ионов. На рисунке 6 показана такая зависимость тока (вольт-амперная характеристика ИК). (Ф₂ >Ф₁)

Как следует из графика, после достижения некоторого критического напряжения U кр дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока через камеру при постоянной интенсивности поля излучений, в котором она находится.

Это напряжение соответствует практически полному разделению всех возникающих в рабочем объеме камеры пар ионов.

Предельный ток, который может быть получен при
U > U кр, называют током насыщения I н.

При увеличении интенсивности излучения I н также увеличивается.

Одновременно увеличивается и U кр в связи с большей вероятностью рекомбинации ионов из-за их большей плотности.

В качестве рабочего напряжения на ИК обычно берут U раб»2 U кр.

Значение тока насыщения обратно пропорционально давлению газа в камере и обратно пропорционально квадрату расстояния между электродами.

Для регистрации нейтронов в ИК вводится вещество – радиатор - слой аморфного бора или делящегося вещества, нанесенный на один из электродов или на оба.

Принято называть ИК со слоем делящегося вещества камерой деления (КД).

g-кванты, попадающие в ИК, образуют электроны как в газе, так и в веществе электродов. Вторичные электроны ионизируют газ и в цепи создается электрический ток.

Поскольку нейтронное излучение в реакторе всегда сопровождается g-излучением, то приходится принимать специальные меры для выделения сигнала от нейтронов и компенсации g-фона.