A közvetlen töltésérzékelők úgynevezett töltésérzékelők. Töltésérzékelők - kényszerített töltésgyűjtő érzékelők ( vákuumkamra , másodlagos elektronsokszorozó ) és elektromos töltést generáló érzékelők (közvetlen töltéskibocsátás detektor (DPC)). A töltésképződés mechanizmusa szerint a DPZ a következőkre oszlik:
A DPZ működési elve a β-részecskék vagy elektronok kibocsátásán alapul, amelyek az érzékelő anyagának neutronokkal és gamma-kvantumokkal való kölcsönhatását kísérik . A β-részecskék megjelenése az (n, γ) reakció során létrejött összetett mag radioaktív bomlásának köszönhető . Az elektronok az emitter anyagában főleg a fotoelektromos hatás és az (n, γ) reakcióban kibocsátott azonnali gamma-kvantumok Compton-szórása következtében keletkeznek. E két fő hatás használatának megfelelően a DPD Comptonra és aktiválásra oszlik . A kibocsátott nagyenergiájú részecskék elérik a kollektort, és az elnyeli. Az érzékelő áramkörben keletkező elektromos áram a kimeneti jele. Közvetlen töltésérzékelő - áramgenerátor .
Az [1] szerzői először alkalmazták radioaktív izotópok β-emisszióját a neutronfluxusok kimutatására. A legszélesebb körben használt anyagok erre a célra: vanádium , kobalt , ródium , ezüst , kadmium , erbium , hafnium , platina .
A DPZ fő előnyei:
Hátrányuk a következők:
A DPZ előnyei döntő szerepet játszottak a különféle típusú atomreaktorok reaktoron belüli vezérlőrendszerében (IRMS) való széles körű bevezetésében.
Szerkezetileg a DPZ egy hengeres kamra központi elektródával - emitterrel, külső elektródával - kollektorral (általában ez egy detektorház) és egy szilárdtest dielektrikummal az elektródák között.
A neutron DPZ érzékenységét általában a detektor neutronokból származó áramerősségének és a zavartalan neutronfluxus sűrűségének arányának nevezik. Az aktiválás és a Compton TDP-k esetében az érzékenység a makroszkopikus emitter aktiválási keresztmetszetének, a detektor által kiváltott neutronfluxus-perturbációs együtthatónak, a gamma-kvantumok és az elektronok abszorpciójának mértékének függvénye az emitter, a szigetelő és a kollektor anyagában. valamint a detektor geometriai méreteinek függvénye.
Ha a neutrondetektort olyan környezetben helyezik el, ahol a termikus neutronok észrevehető abszorpciója van, az csökkentheti az érzékenységét, ami a neutrongáz megnövekedett hőmérsékletének köszönhető .
A maximális érzékenység eléréséhez a dielektrikum vastagságának irreálisan kicsinek és századmilliméteresnek kell lennie. Megjegyzendő, hogy létezik egy szabványos eljárás az atomreaktor csatornájában sorozatban előállított neutron CPD-k érzékenységének meghatározására, ami azt jelenti, hogy a detektoráramkörben egy másodlagos eszközzel mért elektromos áramot a reaktor hatása határozza meg. termikus és epitermális neutronok az érzékeny részen . Ez csak a ródium-emitter TPD használatának néhány speciális esetére igaz, amikor a TPD áramhoz való egyéb hozzájárulások figyelmen kívül hagyhatók.
A DPZ fontos működési jellemzője az a mérési tartomány, amelyen belül a detektor leolvasott értékei arányosak a neutronfluxussűrűséggel.
Elméleti becslések szerint a neutronfluxussűrűség felső határának értéke ródium-, ezüst- és vanádium emitterekkel rendelkező DPS esetén 10 17 -10 20 cm -2 s -1 . A DPZ linearitás alsó határa a reaktorból származó gamma-sugárzás, a kommunikációs vezeték áramainak és a hosszú élettartamú emitter radionuklidok áramainak befolyásának köszönhető.
A ródium linearitási tartománya a legnagyobb (három tizedesrend), a platina pedig a legkisebb, ami lényegében gamma, nem pedig neutron CPD.
A DPZ szabványos mérőműszerként történő sorozatgyártásához fontos az olyan jellemző, mint az azonosság hiánya - az érzékenység terjedése egy azonos kialakítású DPZ tételben. A kezdeti nem azonosság az érzékenységet befolyásoló jellemzők elterjedésének köszönhető: az emitter és a szigetelő geometriai méretei, a dielektrikum elektromos vezetőképessége, és kisebb mértékben a kollektor geometriája.
A DPZ felszabadulásakor a ródium DPZ kezdeti nem azonossága ± 2% vagy kevesebb, az ezüst pedig legfeljebb ± 20%. Működés közben különböző tényezők hatására a DPZ nem azonossága növekszik.
Mivel a DPZ-t a neutronfluxusok reaktortérfogatbeli eloszlásának tanulmányozására használják, a detektor fontos tulajdonsága a lokalitás. A számítások azt mutatják, hogy a DPZ méretei nem jellemzik a reaktor azon pontjának geometriáját, amelyhez a mért neutronfluxus hozzárendelhető. A TPD leolvasásához hozzájáruló neutronok képződési tartományának méretei a közeg neutronfizikai tulajdonságaitól és a neutronok energiaeloszlásától függenek. A ródium DPZ esetében a gömb sugara, amelyen belül a detektorjel 95%-a biztosított, vízben 13; tíz; 5 cm, berilliumban pedig 19; 13 és 6 cm a termikus neutronfluxussűrűség és az epitermális neutronfluxussűrűség 10-es aránya mellett; 20, illetve 30. A termikus neutronokat erősen elnyelő közegekben, például fémmintákat tartalmazó masszív ampullákban, a DPZ lokalizációja sokkal nagyobb, még a termikus és epitermális neutronok fluxussűrűségének sokkal kisebb aránya mellett is. A DPZ nem lokalitása pontatlanságot okoz egy térben inhomogén neutronmező leírásában azokban a régiókban, ahol a fluxus gradiens változása jelentős.
A közvetlen töltésérzékelőket neutron- vagy gamma-detektoroknak nevezzük, aszerint, hogy az egyik vagy másik sugárzás dominánsan járul hozzá a detektor áramerősségéhez. A gyakorlatban a polienergetikus reaktorsugárzás területén a különféle áramfejlesztő mechanizmusok hatása a detektor anyagától és kialakításától, valamint működési körülményeitől függ.
A legtöbbet vizsgált ródiumaktivációs detektorokban a detektoráram pillanatnyi összetevője, amelyet főként a neutronsugárzás befogásának gamma-kvantumából származó Compton-effektus határoz meg, a termikus reaktorok aktív zónái és reflektorai között eléri az 5-15%-ot.
Általában elfogadott, és ezt a termikus neutronspektrumú reaktorokban kísérletileg is megerősítik, hogy a külső háttér gamma-kvantumjaiból származó ródium aktivációs CPD áramerősségéhez csekély mértékben járul hozzá (kb. 1%). Ez a hozzájárulás jelentősebb a Compton DPS-ek esetében, amelyek neutronérzékenysége sokkal alacsonyabb, mint a ródiumoké.
A radioaktív bomlási láncban a hosszú élettartamú γ- és β-aktív nuklidok jelenléte miatt további áram jelenik meg. Például a 104mRh izomer (Т1/2=4,3 perc) bomlásának hozzájárulása jelentős, és a 104Rh áramerősségéhez viszonyítva 7-8%.
Nyilvánvaló, hogy ugyanazon detektor esetében a 104 mRh izomer bomlásának hozzájárulása nem haladhatja meg a pillanatnyi komponens hányadát, mivel a belső konverziós elektronok és a 104 mRh β-részecskék energiája sokkal alacsonyabb (0,5 és 0,3 MeV), mint a 104 mRh-s izomer bomlása. a 104Rh (2,44 MeV) radioaktív bomlási β- részecskék és a sugárzáselfogó gamma-sugarakból származó Compton-elektronok átlagos energiája (a gamma-sugárzás átlagos energiája 1,72 MeV), és veszteségük egy viszonylag vastag szigetelőben (több mint 0,2 mm) jelentős. rövid szabad út miatt.
Általánosságban elmondható, hogy a DPD jellemzőit nem csak a tervezési jellemzői és a felhasznált anyagok tulajdonságai befolyásolják, hanem a működési körülményei is (neutronintenzitás és spektrum, neutrongáz hőmérséklet, detektor működési ideje és hőmérséklete, a kommunikáció elhelyezésének feltételei) vonalak stb.). Ezért a detektorok jellemzőinek számított becslései közelítőek, gyakran minőségi jellegűek. Ennek ellenére felhasználhatók a detektor alkalmazásának célszerűségének értékelésére bizonyos kísérleti körülmények között. A DPZ metrológiai jellemzőit befolyásoló legfontosabb tényezők a következők: az emitter anyagának kiégése és az áram keletkezése a kommunikációs vonal kábelében.
A kommunikációs vezetékben fellépő áramok főként a kábelanyagok neutronok általi aktiválódásából, a reaktor gamma-sugárzásának a kábelben történő elnyelésének, valamint a hőáramoknak köszönhetők. Úgy gondolják, hogy a koaxiális kábelből származó kommunikációs vezeték áramához a fő hozzájárulást (80-90%) a reaktor gamma-sugárzása adja.
Általában a vonaláramok rontják a TPS linearitását, különösen akkor, ha az érzékelő érzékenysége alacsony. A kábel szigetelési ellenállásának növelése javítja a helyzetet. A szigetelési ellenállás növelése érdekében, ha lehetséges, a koaxiális kábel átmérőjének növelése vagy annak teljes elhagyása kívánatos.
A neutron DPS jelben a háttér szerepét a kommunikációs vonali áramokon kívül a detektornak a reaktor gammasugárzására (főleg a hosszú élettartamú hasadási termékek sugárzására) való érzékenysége miatt keletkező áramok töltik be, ill. töltött részecskékre. A DPZ fém héja és a csatorna falai, amelyben található, hatékonyan védenek a töltött részecskék ellen.
A kibocsátott β-részecskék termizálása következtében a dielektrikumban fellépő térfogati elektromos töltés elektromos teret hoz létre benne, amelyben szabad töltéshordozók jelenlétében vezetési áram keletkezik, és ha az intenzitás idővel változik, egy elmozduló áram. Ha a dielektrikum vastagsága kisebb, mint 0,2 mm, a tértöltés hatása elhanyagolható. Az általános elektromágneses interferencia elvileg még földelt kollektor jelenlétében is befolyásolhatja a DPS leolvasását (ha az egy ponton nincs földelve). Ez az interferencia a jel szűrésével kiküszöbölhető.
A hőmérsékletnek a DPD leolvasására gyakorolt hatása a dielektrikum elektromos tulajdonságaiban bekövetkezett változásnak köszönhető, ami különösen a szivárgási áram növekedéséhez vezet. Ez az áramerősség elhanyagolható, ha a Riz>>Rpr feltétel teljesül (Riz, Rpr a készülék szigetelési ellenállása és bemeneti ellenállása). A hőmérséklet növekedésével a dielektrikumban a hődiffúziós áramok növekednek, ami a töltéshordozók egyenetlen eloszlásával és mobilitásuk növekedésével jár. A TMD eredő hőmérséklet-érzékenysége csak a termoelektromotoros erő (TEMF) hatására lehet szignifikánsan nagyobb a vártnál.
Ha a DPS-t használjuk a neutronfluxussűrűség gyors változásával járó módok regisztrálására, az előfeszítő áram, a reaktor gamma hátterének és a kommunikációs vonal áramainak hatása megnő. A ródium aktiváló TPD-k használhatók akár 20%/s sebességgel előforduló változó üzemmódok rögzítésére egy analóg tehetetlenségi korrektor segítségével. A Compton DPS-ben a változó üzemmódok regisztrálásának lehetőségeit az aktiváló komponens korlátozza, amely különböző reaktorokban és különböző üzemi körülmények között eléri a 8-20%-ot.
A reaktortelepeken a DPZ-t intenzív reaktorsugárzásnak kitett körülmények között és magas hőmérsékleten használják. Az ebben az esetben használt áramkörök, mérő- és számítástechnikai rendszerek alapvetően nem különböznek egymástól, és általában egy alacsony szintű jelkapcsolóból, egy áramerősítőből, egy analóg-digitális átalakítóból (ADC), egy jelkábelből és egy PC.