Los detectores de carga directa son los llamados sensores de carga. Sensores de carga: sensores con recolección de carga forzada ( cámara de vacío , multiplicador de electrones secundarios ) y sensores que generan una carga eléctrica (detector de emisión de carga directa (DPC)). De acuerdo con el mecanismo de formación de carga, DPZ se divide en:
El principio de funcionamiento de la DPZ se basa en la emisión de partículas β o electrones que acompañan la interacción de la sustancia sensora con neutrones y cuantos gamma . La aparición de partículas β se debe a la desintegración radiactiva del núcleo compuesto , formado por la reacción (n, γ) . Los electrones se producen en el material emisor principalmente como resultado del efecto fotoeléctrico y la dispersión de Compton de los cuantos gamma rápidos emitidos en la reacción (n, γ). Según el uso de estos dos efectos principales, DPD se divide en Compton y activación . Las partículas de alta energía emitidas llegan al colector y son absorbidas por él. La corriente eléctrica resultante en el circuito del sensor es su señal de salida. Detector de carga directa - generador de corriente .
Por primera vez, los autores de [1] utilizaron la emisión β de isótopos radiactivos para detectar flujos de neutrones. Los materiales más utilizados para estos fines son: vanadio , cobalto , rodio , plata , cadmio , erbio , hafnio , platino .
Las principales ventajas de DPZ:
Sus desventajas incluyen:
Las ventajas de la DPZ jugaron un papel decisivo en su amplia introducción en los sistemas de control en el reactor (IRMS) de varios tipos de reactores nucleares .
Estructuralmente, el DPZ es una cámara cilíndrica con un electrodo central, un emisor, un electrodo externo, un colector (por regla general, este es un caso de detector) y un dieléctrico de estado sólido entre los electrodos.
La sensibilidad de la DPZ de neutrones se conoce comúnmente como la relación entre la intensidad de corriente del detector de neutrones y la densidad del flujo de neutrones no perturbado. Para los TDP de activación y Compton, la sensibilidad es una función de la sección transversal de activación macroscópica del emisor, el coeficiente de perturbación del flujo de neutrones por el detector, el grado de absorción de los cuantos gamma y los electrones en los materiales del emisor, aislante y colector, como así como una función de las dimensiones geométricas del detector.
La instalación de un detector de neutrones en un entorno con una notable absorción de neutrones térmicos puede reducir su sensibilidad, lo que se debe al aumento de la temperatura del gas de neutrones .
Para lograr la máxima sensibilidad, el grosor del dieléctrico debe ser increíblemente pequeño y ascender a centésimas de milímetro. Cabe señalar que existe un procedimiento estandarizado para determinar la sensibilidad de los CPD de neutrones producidos en serie en el canal de un reactor nuclear, lo que implica que la corriente eléctrica en el circuito detector, medida por un dispositivo secundario, está determinada por el efecto de neutrones térmicos y epitermales en la parte sensible . Esto es cierto solo para algunos casos especiales de uso de un TPD con emisor de rodio, cuando se pueden despreciar otras contribuciones a la corriente del TPD.
Una característica operativa importante de la DPZ es el rango de medición dentro del cual las lecturas del detector son proporcionales a la densidad de flujo de neutrones.
Según estimaciones teóricas, el valor del límite superior de la densidad de flujo de neutrones para DPS con emisores de rodio, plata y vanadio es 10 17 -10 20 cm -2 s -1 . El límite inferior de linealidad de la DPZ se debe a la influencia de la radiación gamma del reactor, las corrientes de la línea de comunicación y las corrientes de los radionúclidos emisores de vida prolongada.
El rodio tiene el rango de linealidad más grande (tres órdenes decimales) y el platino tiene el rango más pequeño, que es esencialmente un gamma en lugar de un CPD de neutrones.
Para la producción en serie de DPZ como instrumentos de medición estandarizados, una característica como la no identidad es importante: la difusión de la sensibilidad en un lote de DPZ del mismo diseño. La no identidad inicial se debe a la dispersión de las características que afectan a la sensibilidad: las dimensiones geométricas del emisor y del aislador, la conductividad eléctrica del dieléctrico y, en menor medida, la geometría del colector.
Con el lanzamiento de DPZ, la falta de identidad inicial de rodio DPZ es de ± 2 % o menos, y de plata, de hasta ± 20 %. Durante la operación, debido a la influencia de varios factores, aumenta la falta de identidad de la DPZ.
Dado que DPZ se utiliza para estudiar la distribución de flujos de neutrones en el volumen del reactor, una propiedad importante del detector es la localidad. Los cálculos muestran que las dimensiones de la DPZ no caracterizan la geometría de ese punto en el reactor al que se puede atribuir el flujo de neutrones medido. Las dimensiones de la región dentro de la cual se forman los neutrones, que contribuyen a las lecturas de la TPD, dependen de las propiedades físicas de los neutrones del medio y de la distribución de energía de los neutrones. Para rodio DPZ, el radio de la esfera, dentro del cual se proporciona el 95% de la señal del detector, es igual a 13 en agua; diez; 5 cm, y en berilio 19; 13 y 6 cm a una relación entre la densidad de flujo de neutrones térmicos y la densidad de flujo de neutrones epitermales igual a 10; 20 y 30 respectivamente. En medios que absorben fuertemente los neutrones térmicos, por ejemplo, en ampollas masivas con muestras de metal, la localidad de la DPZ es mucho más alta incluso con una relación mucho más baja de las densidades de flujo de los neutrones térmicos y epitermales. La falta de localidad de la DPZ provoca una imprecisión en la descripción de un campo de neutrones espacialmente no homogéneo en regiones donde los cambios en el gradiente de flujo son significativos.
Los detectores de carga directa se denominan detectores de neutrones o gamma según la contribución predominante a la intensidad de corriente del detector de una u otra radiación. En la práctica, en el campo de la radiación de reactores polienergéticos, la influencia de varios mecanismos de generación de corriente depende de los materiales y diseño del detector y de las condiciones de su funcionamiento.
En los detectores de activación de rodio más estudiados, la componente instantánea de la corriente del detector, que está determinada principalmente por el efecto Compton de los cuantos gamma de captura radiativa de neutrones, alcanza el 5-15 % en condiciones de zonas activas y reflectores de reactores térmicos.
Generalmente se acepta, y esto se confirma experimentalmente en reactores con un espectro de neutrones térmicos, que la contribución a la fuerza actual del CPD de activación de rodio de los cuantos gamma del fondo externo es pequeña (alrededor del 1%). Esta contribución es más significativa para los DPS de Compton, cuya sensibilidad a los neutrones es mucho menor que la de los de rodio.
Debido a la presencia de nucleidos activos γ y β de larga duración en la cadena de desintegración radiactiva, aparece una corriente adicional. Por ejemplo, la contribución del decaimiento del isómero 104mRh (Т1/2=4.3 min) es significativa y en relación con la fuerza actual de 104Rh es 7-8%.
Obviamente, para el mismo detector, la contribución de la desintegración del isómero 104mRh no puede exceder la fracción del componente instantáneo, ya que la energía de los electrones de conversión interna y las partículas β de 104mRh es mucho menor (0.5 y 0.3 MeV) que el energía promedio de partículas β-- de desintegración radiactiva 104Rh (2,44 MeV) y electrones Compton de rayos gamma de captura de radiación (energía promedio de rayos gamma 1,72 MeV), y su pérdida en un aislante relativamente grueso (más de 0,2 mm) es significativa debido al corto camino libre.
En general, las características del DPD se ven afectadas no solo por sus características de diseño y las propiedades de los materiales utilizados, sino también por sus condiciones de funcionamiento (intensidad y espectro de neutrones, temperatura de los gases de neutrones, tiempo y temperatura de funcionamiento del detector, condiciones para establecer comunicación líneas, etc). Por lo tanto, las estimaciones calculadas de las características de los detectores son aproximadas, a menudo de naturaleza cualitativa. No obstante, pueden utilizarse para evaluar la conveniencia de utilizar el detector en determinadas condiciones experimentales. Los factores más importantes que afectan las características metrológicas de la DPZ deben incluir: el desgaste del material emisor y la generación de corriente en el cable de la línea de comunicación.
Las corrientes que surgen en la línea de comunicación se deben principalmente a la activación de los materiales del cable por los neutrones, la absorción de la radiación gamma del reactor en el cable y las corrientes térmicas. Se cree que la principal contribución a la corriente de la línea de comunicación de un cable coaxial (80-90%) la realiza la radiación gamma del reactor.
En general, las corrientes de línea degradan la linealidad del TPS, especialmente cuando la sensibilidad del detector es baja. El aumento de la resistencia de aislamiento del cable mejora la situación. Para aumentar la resistencia de aislamiento, es deseable, si es posible, aumentar el diámetro del cable coaxial o abandonarlo por completo.
Además de las corrientes de la línea de comunicación, el papel de fondo en la señal DPS de neutrones lo desempeñan las corrientes que surgen debido a la sensibilidad del detector a la radiación gamma del reactor (principalmente la radiación de productos de fisión de larga duración ) y a partículas cargadas. La carcasa metálica de la DPZ y las paredes del canal en el que se encuentra protegen eficazmente contra partículas cargadas.
La carga eléctrica volumétrica que surge en el dieléctrico debido a la termalización de las partículas β emitidas crea un campo eléctrico en él, en el que, en presencia de portadores de carga libres, surge una corriente de conducción, y cuando la intensidad cambia con el tiempo, una corriente de desplazamiento. Cuando el espesor dieléctrico es inferior a 0,2 mm, se puede despreciar la influencia de la carga espacial. La interferencia electromagnética general, en principio, puede afectar las lecturas del DPS incluso en presencia de un colector conectado a tierra (si no está conectado a tierra en un punto). Esta interferencia se puede eliminar filtrando la señal.
La influencia de la temperatura en las lecturas del DPD se debe a un cambio en las propiedades eléctricas del dieléctrico, que conduce, en particular, a un aumento de la corriente de fuga. Esta intensidad de corriente es despreciable si se cumple la condición Riz>>Rpr (Riz, Rpr son la resistencia de aislamiento y la resistencia de entrada del dispositivo). Con un aumento de la temperatura, aumentan las corrientes de difusión térmica en el dieléctrico, asociadas con una distribución desigual de los portadores de carga y un aumento de su movilidad. La sensibilidad a la temperatura resultante del TMD puede ser significativamente mayor que la predicha solo como resultado de la influencia de la fuerza termoelectromotriz (TEMF).
Cuando se usa el DPS para registrar modos con cambios rápidos en la densidad de flujo de neutrones, aumenta la influencia de la corriente de polarización, el fondo gamma del reactor y las corrientes de la línea de comunicación. Los TPD de activación de rodio se pueden usar para registrar modos variables que ocurren a una velocidad de hasta 20 %/s usando un corrector de inercia analógico. En Compton DPS, las posibilidades de registrar modos variables están limitadas por el componente de activación, que alcanza el 8-20% en varios reactores y varias condiciones de operación.
En las plantas de reactores, la DPZ se utiliza en condiciones de exposición a la intensa radiación del reactor ya temperaturas elevadas. Los circuitos y los sistemas de medición y computación utilizados en este caso no difieren fundamentalmente y consisten, por regla general, en un interruptor de señal de bajo nivel, un amplificador de corriente, un convertidor de analógico a digital (ADC), un cable de señal y un ORDENADOR PERSONAL.