Способ регистрации нейтронов
Способ регистрации нейтронов газоразрядными счетчиками, отличающийся тем, что, с целью расширения области применимости счетчиков и обеспечения абсолютной величины чувствительности счетчиков в этих условиях, в качестве полезного сигнала, формирующего счетный импульс, используют инвариантную относительно ядерно-ионизационных процессов составляющую импульса счетчика.
Изобретение относится к области радиационной техники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для регистрации электромагнитного и ядерного излучений, в частности для измерения плотности потока нейтронного излучения на реакторах и ускорителях. Известен способ регистрации нейтронов с помощью гелиевых счетчиков. Решением общего типа может служить принцип работы любого четырехполюсника, на выходе которого формируется стандартный сигнал, задающей которого является определенная часть входного сигнала. Наиболее близким к предлагаемому является способ регистрации нейтронов газоразрядными счетчиками. Способ регистрации импульсов, возникающих в детекторах ядерного или электромагнитного излучения, заключается в следующем. За счет ионизационных процессов в детекторе, вызванных излучением или частицами, во входных цепях электрической схемы возникает импульс, который усиливается и далее анализируется или регистрируется тем или иным устройством. Когда в отношении кванта или частицы достаточно получить ответ Есть или Нет, известный способ регистрации излучения, с одной стороны, значительно сужает физические условия применимости, с другой стороны, при наличии в счетчике близких или перекрывающихся спектров шум-полезный сигнал вовсе не позволяет выделить низкоэнергетические ионизационные процессы. Термостойкость газоразрядного гелиевого счетчика типа СНМ-18-1 в пропорциональном режиме ограничена 50оС, в то время как вероятность возникновения ядерно-ионизационного процесса в детекторе остается неизменной в значительно более широком диапазоне температур. Спектры шумов и полезных сигналов коронных счетчиков по известному способу перекрываются. Отсюда следует, что создать на известных принципах устройство, в котором была бы реализована абсолютная величина чувствительности счетчиков (имп х см2/н), практически невозможно, так как неизбежна дискриминация низкоэнергетической части спектра. Целью изобретения является расширение области применимости счетчиков и обеспечение абсолютной величины чувствительности счетчиков в этих условиях. Цель достигается тем, что в способе регистрации нейтронов газоразрядными счетчиками в качестве полезного сигнала, формирующего счетный импульс, используют инвариантную относительно ядерно-ионизационных процессов составляющую импульса счетчика. Поиск инвариантной составляющей импульса сводится к следующей схеме. 1. Первоначальное равновесное состояние со статическими энергетическими уровнями на всех элементах системы 2. Вывод системы из равновесия ядерно-ионизационным процессом в счетчике-скачек энергетических уровней во входных цепях системы. 3. Новое почти равновесное состояние на время нейтрализации очага ионизации в счетчике. 4. Возвращение системы в исходное состояние восстановление первоначальных энергетических уровней на ее элементах. Состояния 2 и 3 системы обусловлены процессами возникновения и нейтрализации очага ионизации и в значительной степени зависят от интенсивности гамма-фона и термодинамических условий протекания электрического разряда. В общепринятых схемах используются составляющие импульса, образованные процессами 2 и 3. Процесс 4 является исключительно функцией системы и, следовательно формирует ту составляющую сигнала, которая не зависит и не может зависеть от ионизационных процессов в детекторе, которые в началу процесса 4 закончились. Процесс восстановления системы в исходное состояние формирует инварианту импульса, которая будучи выделена и зарегистрирована, однозначно характеризует наличие ядерно-ионизационного процесса в детекторе. В первом приближении влияние гамма-фона и термодинамических условий на формирование импульса можно оценить как линейное, а на инвариант по параболическому закону. На фиг. 1 приведена схема газоразрядного гелиевого счетчика СНМ-18-1; на фиг. 2 семейство счетно-дискриминационных характеристик детектора СНМ-18-1 в коронном режиме. Характеристики сняты в неизменной геометрии источник нейтронов счетчик; на фиг. 3 дискриминационная характеристика счетчика СНМ-18-1 при оптимальном напряжении на его электродах. Дополнительно в таблице приведена счетная характеристика пропорционального режима; на фиг. 4 счетные характеристики детектора СНМ-18-1 в пропорциональном и коронном режимах, снятые в неизменной геометрии источник нейтронов детектор и с применением способа фильтрации шумов коронного разряда; на фиг. 5 электрическая схема импульсного усилителя и варианты схем включения детектора в зависимости от режима и требуемой полярности сигнала. В качестве примеров практического применения способа инвариантной составляющей импульса при регистрации нейтронов газоразрядными счетчиками приводятся некоторые экспериментально полученные результаты и краткий анализ работы схемы регистрации импульсов. 1. Испытание на термостойкость гелиевого детектора СНМ-18-1 в пропорциональном режиме. Верхний предел температурного диапазона у этого детектора по импульсу 50оС (см. фиг.1), по инварианте импульса 100оС (результат для газоразрядных счетчиков получен впервые). Результаты испытаний следующие. 2. Методика поиска рабочих точек коронных счетчиков нейтронов. На фиг. 2 представлено семейство счетно-дискриминационных характеристик детектора СНМ-18-1, из анализа которых следует, что данный счетчик при напряжении 2200 В имеет особенность. На фиг. 3 изображена детальная дискриминационная характеристика этого же счетчика при напряжении 2200 В. Анализ характеристики показывает, что при напряжении 2200 В между шумом короны и минимальными по амплитуде полезными сигналами в интервале 8-9 млВ образуется дистанция (результат получен впервые), позволяющая точно установить уровень дискриминации. Слева и справа от интервала 2200
50 В граница между шумом и полезным сигналом исчезает (график, фиг.2). Таким образом определены рабочие точки для данного детектора: напряжение питания -220050 В, уровень дискриминации шумов коронного разряда 8,5-0,5 млВ. На фиг.2,3,4 рабочие точки указаны стрелками. Анализ графика на фиг. 3 показывает, что для данного детектора отношение амплитуд сигнал-шум составляет 1:8 и что минимальные по амплитуде полезные сигналы находятся на уровне 1 млВ. 3. Схема работающая по принципу инвариантной составляющей позволяет использовать элементарный прием разделения сигнала, а именно фильтрацию частоты короны входной цепью предусилителя. Для этого параллельно сопротивлению R (см.фиг.1 и фиг.5, а,б) устанавливается емкость С*, которая подбирается опытным путем. На фиг. 4 представлена счетная характеристика детектора СНМ-18-1, полученная фильтрацией коронного разряда. На фиг. 2 аналогичная характеристика показана пунктиром (результат получен впервые). Преимущество фильтрации перед схемами пороговой дискриминации заключается в ее простоте и благодаря четкому разделению сигналов к схеме дискриминатора не предъявляется практически никаких требований. Анализ способа фильтрации с некоторыми предпосылками показывает, что шум короны при определенных условиях переходит из "белого" в узкий спектр, что и позволяет его фильтровать. 4. Способ инвариантной составляющей позволяет осуществлять внутренний контроль чувствительности для тех типов счетчиков, которые могут работать в пропорциональном и коронном режимах и паспортизируются по абсолютным величинам этого параметра. На фиг. 3 в таблице приведена счетная характеристика СНМ-18-1,работающего в пропорциональном режиме. Отношение регистрируемых интенсивностей в рабочих точках обоих режимов (в точках "плато") в точности соответствует отношению абсолютных чувствительностей (см.фиг.1, 230:18001, 278). Аналогичное отношение получено по способу фильтрации на фиг. 2 (пунктир) и фиг. 3. Численные значения регистрируемых интенсивностей в рабочих точках приведены непосредственно на графиках. 5. На фиг.5 приведена принципиальная электрическая схема импульсного усилителя, с помощью которого получены вышеприведенные характеристики. Чувствительность усилителя, приведенная к входу, составляет 1 млВ при длительности прямоугольного импульса 0,1 мкс. На фиг. 5 представлены варианты включения счетчика в зависимости от требуемой полярности импульса (фиг. 5,а инварианта положительна, фиг. 5,б,в отрицательна). Как видно из чертежа схема тривиальна, а сам способ инвариантной составляющей реализуется путем поворота импульса относительно входа ждущего мультивибратора на 180о. В этом случае часть импульса, образованная за счет ионизационных процессов в детекторе (в том числе шумы и гамма-фон), создает на входе мультивибратора дополнительный запирающий потенциал, а после рассасывания ионизации в счетчике на его входе действуют однонаправленно три составляющие: восстановление собственного запирающего потенциала, задний фронт импульса и инерционные процессы (заход импульса), чем достигается практически идеальная помехоустойчивость схемы. В качестве инварианты импульса используется процесс заряда емкости С, происходящий после нейтрализации очага ионизации в счетчике (см. фиг. 1 и 5). На фиг. 5 в изображен еще один вариант фильтра частоты коронного разряда. Гелиевый счетчик типа СНМ-18-1 взят в качестве примера на следующих основаниях: а) счетчик паспортизирован величинами абсолютной чувствительности, определенными к тому же абсолютными методами: б) на базе СНМ-18-1 предпринимаются попытки создания метрологической установки для измерения полного потока нейтронов; в) из всех типов нейтронных счетчиков СНМ-18-1 находит наиболее широкое применение во многих отраслях техники. Испытания других типов газоразрядных счетчиков нейтронов (СНМ-12, СНМ-14, СНМ-17) дали аналогичные результаты. Влияние гамма-фона примером не иллюстрировано, поскольку в паспорте детектора не приводится то его минимальное численное значение, которое начинает искажать спектр. Техническая эффективность способа регистрации нейтронов по инварианте импульса состоит прежде всего в точности и надежности измерений и возможности создавать простые устройства с метрологической характеристикой по чувствительности для широкого диапазона внешних физических воздействий (температуры, давления гамма-фона). В экспериментальном плане способ позволяет (впервые) обнаружить у коронных счетчиков наличие особых точек по напряжению, когда между шумом короны и полезным сигналом образуется дистанция, а частотный спектр шума значительно сужается. В методическом плане решены вопросы внутреннего контроля чувствительности измерительных приборов на счетчиках типа СНМ и их настройки в счетный режим (под счетным режимом подразумевается регистрация полного и чистого интегрального спектра). Результаты экспериментов позволяют выдвинуть рабочую гипотезу о существовании дискретных энергетических уровней у носителей электрических зарядов в газе и о зависимости вероятности участия в разряде тех или иных уровней от напряженности внешнего электрического поля и глубины первичной ионизации. Под носителями электрических зарядов в газе подразумевается некоторые объемные заряды с дискретной слоистой энергетической структурой элементарных носителей, образование и функционирование которых суть функция внешнего электрического поля и ионизирующих факторов. В этом случае простое объяснение получают не вполне ясные на сегодняшний день вопросы из области электрических разрядов в газе. Почему различна эффективность регистрации нейтронов в пропорциональном и коронном режимах одного и того же счетчика; почему падает коэффициент газового усиления с повышением напряжения в коронном режиме. Различие эффективностей пропорционального и коронного режимов с позиций рабочей гипотезы объясняется тем, что энергетические уровни носителей заряда, которые в пропорциональном режиме возбуждались низкоэнергетическим ядерно-ионизационным процессом, в коронном режиме образуют коронный разряд, а сам низкоэнергетический возбудитель след ионизации не оставляет. Другими словами, повышение напряжения на счетчике в режиме самостоятельного разряда должно производить эффект низкоэнергетической дискриминации, то есть регистрируемый спектр должен обрезаться слева. Аналогичные объяснения получает эффект падения коэффициента газового усиления: повышение напряжения в режиме самостоятельного разряда снижает эффективность первичной ионизации в силу того, что количество элементарных носителей, участвующих в коронном разряде должно увеличиваться, снижая тем самым количество элементарных носителей, идущих на образование следа ионизации. Поскольку в режиме самостоятельного разряда с повышением напряжения спектр должен обрезаться слева, коронные счетчики могут использоваться при спектрометрии медленных нейтронов.
Формула изобретения
Способ регистрации нейтронов газоразрядными счетчиками, отличающийся тем, что, с целью расширения области применимости счетчиков и обеспечения абсолютной величины чувствительности счетчиков в этих условиях, в качестве полезного сигнала, формирующего счетный импульс, используют инвариантную относительно ядерно-ионизационных процессов составляющую импульса счетчика.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000
Извещение опубликовано: 27.12.2000
