Doklad sokolov 19.10.2017

1. Соколов С.А., Пудов А.О., Рыбка А.В, Давыдов Л.Н.,
Абызов А.С., Кутний В.Е., Леонов С.А., Холомеев Г.А.,
Турчин А.А., Мельников С.И.
Национальный Научный Центр
«Харьковский Физико-Технический Институт»
ХΙΙΙ МІЖНАРОДНА
НАУКОВО-ТЕХНІЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ МОЛОДИХ ВЧЕНИХ ТА
ФАХІВЦІВ
«ПРОБЛЕMИ СУЧАСНОЇ ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ»

2. Цели работы
 Создание спектрометрического детектора гамма-
излучения на основе сжатого ксенона (HPXe)
 Создание стационарных и переносных моделей
блоков детектирования на основе HPXe детекторов
 Исследование характеристик рабочего газа в
ионизационной камере детектора
2

3. Мотивация
Достоинства HPXe
детекторов:
 Энергетическое
разрешение  1 %
 Радиационная стойкость
 Линейность
 Термостойкость до 200С
 Временная стабильность
Области применения:
 Идентификация радионуклидов в
технологических процессах атомной
энергетики:
 непрерывный контроль
активностей реперных
(информативных) радионуклидов в
теплоносителе первого контура
 непрерывный КГО твэлов
 Производство радиоактивных и
делящихся материалов
 Захоронение и обработка
радиоактивных отходов
 Безопасность (антитерроризм)
 Экология
3

4. Установка наполнения и эксплуатации
детектора HPXe
Характеристики установки
1. Сверхвысокий вакуум во
всей системе (достигнуто
2×10-9 mbar)
2. Работа с давлением до 50-
60 атм
3. Работа с особо чистым
газом Хе (99,9999% и
выше) и его смесями
4. Адаптируемость к
установке новых блоков
очистки газа Хе
5. Функция криогенной
перекачки и очистки Xe
4

5. Спектрометрический детектор на основе HPXe
Characteristic Value and units Characteristic Value and units
Working anode length 180 mm Working gas volume ≈1.41 l
Anode outer diameter 20 mm Calculated cathode voltage –20 kV
Frisch grid length 180 mm Calculated grid voltage –10.5 kV
Frisch grid outer diameter 40 mm Calculated electric field near cathode ≈2000 V/cm
Cathode inner diameter 100 mm Calculated electric field near anode ≈15000 V/cm
Cathode wall thickness 3 mm Frisch grid penetration area 96%
5

6. Исследование времени жизни носителей
заряда в ионизационной камере
Рабочая область
камеры при
измерениях t
grid
anode
Схема подключения при измерениях t
 Измерения в камере, присоединенной к установке напуска Xe
 Особо чистый Xe + 0,25% H2. Давление 5, 10, 20, 30, 40, 50 атм.
 Использовался g-источник 137Cs и космические мюоны.
 Электрическое поле между электродами ~ 50 В/см. 6

7. Методика определения t
 При каждом значении давления записывалось ~10 импульсов, определялось
время нарастания импульса
 Из множества значений времен нарастания, самые длинные принимаются за
оценку нижней границы времени жизни носителей
-1000 В
tt
tt
Q
Q








exp1
Q
Q
t

t tt
Зависимость между полным зарядом
Q, созданным в рабочей среде,
собранным зарядом Q, временем
дрейфа носителей t, и временем
жизни заряда t описывается
уравнением (а). Из уравнений (а) - (с)
следует важный для метода вывод:
время дрейфа носителей (время
нарастания сигнала) должно быть
меньше времени жизни носителей
(так, t - это нижний предел времени
жизни носителей заряда).
a) b) c)
t – < t
7

8. Обоснование методики контроля чистоты инертного газа для
ионизационной камеры в импульсном режиме
8
Измерения в двухэлектродном
режиме
   exp /IPN t N t t 
Компонент рекомбинации:
Рекомбинация носителей приводит к нелинейности фронта нарастания
сигнала. С помощью моделирования сигнала подгонкой параметров в
данных уравнениях можно точнее определить значение времени жизни.
       dd tttteNtQ tt 0,/exp1/0
( ) ( )IP e
R
N q t
V t v v
C d
 
 
Приближение без учета
рекомбинации:
 
d
t
d
t
teN
dt
L
veN
tQ 0
0
0
 
Форма фронта
нарастания импульса
t – < t

9. Результаты расчетов и измерений t при различных
значениях давления смеси Xe+0,25%H2
t
Времяжизниэлектронов(мкс)
Давление (атм)
расчеты измерения
1) Данные для мюонов и
g-источника 137Cs приблизительно совпадают
2) При больших давлениях (>30 атм) время
нарастания импульса дает хорошую оценку
времени жизни
3) При низких давлениях (<30 атм) время
нарастания импульса – это время собирания
заряда (носители практически не
рекомбинируют). t ~ мс.
4) Как и ожидалось, t увеличивается в более
разряженном газе одного состава 9

10. Исследование изменения скорости сбора заряда
от напряжения при различных давлениях газа
измерения расчеты
Полученные значения позволяют выбрать оптимальный рабочий режим
детектора по напряжению
10

11. Амплитудные распределения от Cs137
11
Полученное распределение имеет классический вид спектра 137Cs с выраженным пиком 662 кэВ

12. Данный этап: Создание камеры
сверхтонкой очистки ксенона
Схема камеры для искровой очистки ксенона и контроля
чистоты.
1 – корпус цилиндрической камеры; измерительные
электроды: 2 – катод; 3 – экранирующая сетка;
4 – собирающий анод; 5 – электрод для искровой очистки;
6 – высоковольтные токовводы; 7 – патрубок для напуска газа.
Разработан и изготовлен макет
импульсного (частота 50 Гц) источника
питания, обеспечивает возможность
создания искрового разряда и
возможность перехода искрового разряда
в дуговой. В основе работы данного
устройства лежит регулируемый разряд
конденсатора через первичную обмотку
автотрансформатора с ферромагнитным
сердечником. 12

13. Выводы и планы на будущее
 Разработана и создана комплексная установка по очистке и
напуску Хе в газовые детекторы; макет спектроскопического
детектора на основе HPXe;
 Показана возможность определения времени жизни носителей
заряда внутри ионизационной камеры без необходимости
отсоединения детектора от установки очистки
 Проведена оценка времени жизни носителей заряда (чистота газа
~99,9999%) при различных значениях давления. На основании
измерений, сделан вывод, что чистота газа соответствует
детекторным требованиям, хотя улучшение чистоты приведет к
дальнейшему улучшению свойств детектора.
 Разработка камеры сверхтонкой очистки газа и её испытание.
 Спектромерические испытания. Завершение разработки
алгоритмов обработки данных детектора их внедрение в блоках
детектирования.
 Разработка и изготовление портативных моделей детектора
13

14. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
NSC
KIPT14