自给能中子探测器

更新时间:2023-05-15 23:16

自给能中子探测器是按照核电池的原理工作的。这种中子探测器响应速度快、体积小、能够耐受反应堆堆芯里面的强辐射环境。自给能中子探测器无须外加电压进行电离,因此无需气体空间,故命名为自给能探测器。

中心的金属线通常采用钴、镉、铑、钒等金属,它们吸收中子后会发生β衰变,释放出电子,由于电子的不断释放,金属线内的正电荷不断积累,从而在电阻上产生一个正的电压,通过电位计可以直接测量到这个电压。也可以用电流计测量释放出电子形成的电流。

探测器套和中心金属线之间要很好地绝缘,通常采用氧化镁绝缘。这种探测器可以做得很小,直径可以到1~3mm,长度可根据需要设计。

自给能探测器有两个很重要的优点:首先,测量十分简单,只需要一个电位计就可以;其次,中心金属线寿命很长(和涂硼或者涂U相比较)。但也有一个缺点,那就是β衰变是有半衰期的,因此测量到的值在时间上会有所滞后。探测器的输出电压和中子通量的关系为

V(t) = I(t)R = KsqNj(1-e)R

其中,K是一个由探测器形状和材料决定的常数;s是发射体材料的热中子吸收截面,cm^2;q是发射体β衰变所发射的电荷,C;N是发射体的总原子数目;T是发射体β衰变的半衰期,s;j是中子注量率,n/(cms)。

例如常用的钒,用的是V吸收一个中子后成为V(吸收截面是4.9b),V的β衰变半衰期是226s。这就意味着需要大约4分钟才能达到稳态值的63%。铑的情况稍微好一点,Rh的吸收截面是150b,吸收中子后的Rh有两种反射性同位素,基态Rh(占92.7%)的半衰期是42s,亚稳态的Rh(占7.3%)的半衰期是264s。钴和镉应该可以弥补这个问题,因为它们的子体的半衰期大约只有10s,因此基本上是瞬时测量的。

钒自给能探测器由于吸收截面比较小,因此一般做成比较长的探测器。所以经常用于探测径向功率分布,而对于轴向分布的分辨率较差。而铑自给能探测器由于截面大,可用于轴向分布的探测。

还有一种自给能探测器利用γ射线而不是β衰变,这种探测器的组成结构和β衰变中子探测器差不多,如图1 所示。

这种探测器的工作原理是,发射体原子核(Pt)俘获中子后形成处于激发状态的复合核,复合核在退激过程中发射γ射线,利用γ射线与探测器材料的相互作用,得到自由电子。由这些自由电子形成的电流与中子注量率成正比关系。这种探测器的特点是响应速度快,可用于功率调节和保护,但它的缺点是对中子和γ射线都敏感,所以测量中子注量率的精度受到当地γ射线的影响比较大。

裂变室是利用U的裂变反应来测量中子的。裂变室在结构上和电离室差不多,只是涂层不采用硼,而是采用U涂层。U吸收中子发生裂变反应后,两个裂变碎片会向两个相反的方向运动。因此必定会有一个碎片进入气体空间,而另一个碎片留在壁面。裂变碎片的动能十分巨大,会产生大量的电离。这个特点使得裂变室探测器不但可以用于核电厂的功率量程探测,还可以用于源量程和中间量程的探测。

活化片法的原理是向堆内同时放入很多小的活化片(可以放在不同区域的多个位置),等待一段时间,待充分活化后,迅速取出来测量活度。活化片法要求活化片材料的截面数据要事先得到。活化片法还能够用于测量中子的能谱,这时需要在活化片外围包一层屏蔽层,屏蔽掉特殊能量的中子,例如镉可以很好地屏蔽掉热中子。

光学胶片也可以用于测量辐射,例如X光成像,辐射强的区域颜色更深。还可以用各种过滤片过滤掉特殊类型的射线,以便测量能谱。

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