Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 10, стр. 1499-1503

ВВЕДЕНИЕ

Испытания на радиационную стойкость материалов, радиоэлектронной техники сопровождаются измерением флюенса нейтронов в месте расположения образца. При этом имеют значение миниатюрность детектора, чтобы не вносить искажение в окружающее нейтронное поле, и способность детектора формировать сигнал, пропорциональный набранному в процессе облучения флюенсу нейтронов.

Наиболее информативным и точным способом измерения флюенса нейтронов является методика активационных детекторов [1]. Достоинством этого метода является широкая информативность результатов, так как при помощи набора детекторов можно получить подробные сведения о количестве и спектральном составе поля облучения. Способ не требует дополнительной калибровки и используется, в свою очередь, для калибровки других способов. В качестве его недостатка можно рассматривать факт, что значение флюенса нейтронов получается только по завершении эксперимента после трудоемких измерений и расчетов.

Анализ результатов испытаний на радиационную стойкость и интерпретация их для реальных условий применения материалов, элементов и систем радиоэлектронной аппаратуры невозможны без детального описания условий облучения объектов. Для этого часто требуется регистрация зависимости флюенса нейтронов от времени в процессе облучения.

Для решения этой задачи специалистами ВНИИЭФ разработаны два автоматизированных комплекса, обеспечивающих детектирование флюенса нейтронов с энергией выше 0.1 МэВ в реальном временном масштабе. Первый комплекс использует метод регистрации плотности потока нейтронов камерами деления с пороговыми радиаторами и последующий расчет значений флюенса [2]. Во втором комплексе используется связь между изменением величины коэффициента усиления по току (h₂₁) применяемого в качестве детектора кремниевого транзистора n–p–n типа в схеме включения с общим эмиттером и величиной набранного флюенса нейтронов [3].

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ КАМЕРАМИ ДЕЛЕНИЯ С ПОРОГОВЫМИ РАДИАТОРАМИ

Для реализации этого метода используется автоматизированный комплекс (АК), выполненный на основе специализированного многофункционального измерительного комплекса (СМИК) [4].

В качестве детектора быстрых нейтронов применяется газонаполненная ионизационная камера КНК-2-7М (камера гамма-нейтронная комбинированная) в счетном режиме работы, дополняемом переходом в токовый режим с разделением секционных токов функциональных секций. Схема подключения камеры КНК-2-7М при измерении приведена на рис. 1.

Подача однополярного напряжения питания положительной полярности на сигнальный (собирающий) электрод с маркировкой “0”, обеспечивает возможность независимой регистрации токов функциональных секций [5]. Наличие высокоомных сопротивлений на входе подачи напряжения питания ограничивает верхний регистрационный уровень секционного тока величиной ~10^–5 А. Характеристики ионизационной камеры, используемой в комплексе в качестве детектора, приведены в табл. 1.

Регистрации показаний детектора КНК-2-7М производится при помощи одного счетного и одного токового регистрационных каналов, содержащих блоки обработки сигналов, выполненные на микропроцессорах, данные с которых передаются и затем обрабатываются в реальном масштабе времени на вычислительном устройстве более высокого уровня. Конфигурация измерительных каналов автоматизированного комплекса СМИК представлена на рис. 2.

В составе счетного канала используется измерительный модуль счетчика нейтронов ИМСН с диапазоном измерения скорости счета – от 0 до 1 ⋅ 10⁵ имп. ⋅ с^–1 при погрешности измерения скорости счета в диапазоне от 100 до 1 ⋅ 10⁵ имп. ⋅ с^–1 не более 1%, в диапазоне от 0 до 100 имп. ⋅ с^–1 погрешность составляет ±1 имп. ⋅ с^–1.

Токовый канал состоит из двух токовых измерительных модулей ИМТК (диапазон измерения силы тока − от 10^–11 до 2.5 ⋅ 10^–3 А), которые используются для раздельной регистрации секционных токов: γ-составляющей и γ + n-составляющей исследуемого излучения. Погрешность измерения тока в диапазоне от 1 ⋅ 10^–11 до 10^–8 А – не более 5%, в диапазоне от 10^–8 до 2.5 ⋅ 10^–3 А – не более 3%.

Для обеспечения однополярного питания по общему для секций электроду камеры используется модуль высоковольтного преобразователя напряжения ВПН-500. ВПН-500 обеспечивает высоковольтное напряжение питания в пределах от 100 до 500 В и от минус 500 до минус 100 В (выходной ток – не более 5 мА, нестабильность выходного напряжения за 8 часов – не более 1%).

Все функциональные модули, используемые в составе СМИК, разработаны и изготовлены во ВНИИЭФ. На все модули получены свидетельства об утверждении типа средств измерений. На используемое программное обеспечение получено свидетельство о государственной регистрации [5].

В качестве вычислительного устройства более высокого уровня в СМИК используется микропроцессорный блок обработки данных БОД [6], разработанный также во ВНИИЭФ. БОД управляет работой функциональных модулей нижнего уровня: ИМТК, ИМСН, ВПН – по последовательной шине данных в формате RS-485, являясь на ней ведущим устройством. В свою очередь БОД, также по линии связи в формате RS-485, подключается к управляющему устройству верхнего уровня. Встроенное программное обеспечение БОД функционирует под управлением операционной системы реального времени QNX Neutrino 6.5. БОД принимает и обрабатывает результаты первичных измерений (силу тока, скорость счета) от модулей ИМТК и ИМСН, выполняет сшивку данных и вычисляет значения нейтронного потока, используя заданные на верхнем уровне коэффициенты преобразования. Результаты измерений и расчетов отображаются на индикационной панели БОД.

В качестве управляющего устройства верхнего уровня в СМИК используется персональный компьютер (ПК), на котором установлено управляющее программное обеспечение (ПО) измерительного комплекса СМИК [6]. ПО задает конфигурацию комплекса: количество и тип измерительных каналов (модулей); настраивает и обеспечивает связь между ПК и модулями, контролирует работоспособность аппаратуры; регистрирует с заданным периодом отклики детекторов нейтронов; в ходе регистрации вычисляет значения флюенса нейтронов; архивирует зарегистрированные и расчетные данные в текстовых файлах на ПК; в процессе измерений отображает результаты в цифровом и графическом видах на экране монитора ПК. На рис. 3 показан пример зарегистрированных данных по токовому каналу при работе исследовательского реактора БР-К1 [6].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ ДЕТЕКТОРАМИ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Одним из недостатков метода детектирования флюенса нейтронов при помощи ионизационных камер является то, что из-за низкой величины сечения взаимодействия быстрых нейтронов с изотопами радиаторов приходится наращивать габариты камер, что накладывает ограничения на их применение. При определении флюенса имеет значение именно миниатюрность детектора, чтобы не вносить искажение в окружающее нейтронное поле.

Данная проблема может быть решена при использовании некоторых типов транзисторов в качестве детекторов нейтронов. При взаимодействии с полупроводниковыми материалами нейтроны с определенным энергетическим спектром образуют радиационные дефекты, количество которых пропорционально воздействующему флюенсу нейтронов. Эти дефекты изменяют электрофизические свойства полупроводникового материала. Если какой-либо параметр вещества однозначно связан с количеством дефектов, то по изменению этого параметра под облучением можно определить величину воздействующего на него флюенса нейтронов [7].

Радиационные дефекты, образованные под действием нейтронного излучения, являются эффективными центрами захвата и рекомбинации носителей заряда, поэтому у кремниевых полупроводников в наибольшей степени претерпевает изменение время жизни неосновных носителей заряда [7]:

где τ₀ − начальное время жизни носителей; τ − вpемя жизни носителей после воздействия флюенса нейтронов F; k_τ − константа радиационного повреждения времени жизни носителей.

Существуют типы кремниевых транзисторов n–p–n типа, у которых можно определить характеристическую зависимость коэффициента усиления по току (h₂₁) от времени жизни неосновных носителей заряда [7]. С использованием этого эффекта спроектирован автоматизированный комплекс для измерения значений коэффициентов усиления кремниевых транзисторов (n–p–n типа) по току (h₂₁) в схеме включения с общим эмиттером [3].

Основной целью разработки стало изучение характера зависимости коэффициентов усиления по току (h₂₁) облучаемых транзисторов от флюенса, а также влияния изменения температурного режима на эту зависимость. Главный итог исследования заключается в получении аналитических зависимостей для расчета значений флюенса и погрешности его измерения. На данном этапе для определения флюенса в комплексе используется следующая формула [3]:

где t − текущий момент времени, ${{F}_{{\text{К}}}}$ − значения калибровочного флюенса нейтронов спектра образцового источника, ${{h}_{{{\text{2}}{{{\text{1}}}_{{\text{И}}}}}}}{\text{(}}t)$ − дифференциальный коэффициент усиления по току при рабочем облучении исследуемого транзистора, ${{h}_{{{\text{2}}{{{\text{1}}}_{{\text{Н}}}}}}}$ − дифференциальный коэффициент усиления по току до облучения спектром нейтронов образцового источника, ${{h}_{{{\text{2}}{{{\text{1}}}_{{\text{К}}}}}}}$ − дифференциальный коэффициент усиления по току после подачи калибровочного импульса спектром нейтронов образцового источника.

Программное обеспечение комплекса позволяет редактировать формулу расчета значений комплекса, не меняя конфигурации аппаратной части.

Для использования в автоматизированном комплексе был разработан и спроектирован модуль измерения коэффициентов транзистора (МИКТ), который обеспечивает диапазон измерения коэффициента усиления базового тока транзистора h₂₁ в диапазоне от 0 до 250. На текущий момент в состав автоматизированного комплекса, подготовленного для экспериментов по измерению флюенса быстрых нейтронов, входят пять измерительных каналов, каждый из которых состоит из детектора нейтронов, модуля МИКТ, термопары, установленной рядом с детектором. В состав АК входит также многоканальный аналоговый модуль I-7018Z для измерения температуры. Работой каналов управляет вычислительное устройство верхнего уровня − персональный компьютер. Структурная схема автоматизированного комплекса приведена на рис. 4.

В качестве детекторов используются биполярные кремниевые транзисторы n−p−n типа (например, КТ316, КТ312, КТ301). Они подключаются к модулям МИКТ при помощи трехпроводных экранированных линий связи, которые обеспечивают их дистанционное подключение и повышают помехозащищенность АК. Режимы работы транзистора: U_КЭ = 5 В; I_Э = 4,8 мА; ΔI_Э = 0.4 мА. Транзистор может работать как в пассивном (подача питания U_КЭ производится только перед текущим измерением коэффициента усиления базового тока), так и в активном режиме (подача питания U_КЭ производится постоянно).

Одной из целей разработки является подбор современной базы кремниевых транзисторов, которые могут использоваться в качестве детекторов для измерения флюенса нейтронов. Проблема заключается в том, что многие транзисторы, при помощи которых ранее проводились исследования по измерению флюенса, сняты с серийного производства.

Термопары и модуль I-7018Z (многоканальный модуль аналогового ввода сигналов с термопар фирмы ICP DAS) используются для измерения значений температуры в местах установки детекторов. На основе результатов измерений определяется влияние температуры на систематическую погрешность и вносится коррекция в полученные значения флюенса нейтронов.

Для управления работой АК разработан программный комплекс “АСИ ЭФИР”. Программа предназначена для автоматизированного измерения эффективного флюенса нейтронов в реальном временном масштабе при помощи модулей МИКТ, опрашиваемых через последовательный интерфейс RS-232/RS-485, сохранения данных на диск и их визуализации. Полученные данные отображаются в виде графика величины 1/(1 + h₂₁) по времени. Программа осуществляет периодическое сохранение данных во внешний файл (по умолчанию, каждые 5 с). Возможно выделение интервала времени на графике (при помощи кнопок “Начало” и “Конец”) и сохранение попавших в этот интервал данных в отдельный файл. Программа позволяет устанавливать время между последовательными измерениями коэффициента h₂₁ от 0.5 с до нескольких десятков секунд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оба разработанные во ВНИИЭФ автоматизированные комплекса для определения флюенса нейтронов с энергией выше 0.1 МэВ в реальном временном масштабе изготовлены и апробированы на исследовательских ядерных реакторах БР-К1 и БР-1М [8].

Первый комплекс, основанный на методе регистрации плотности потока нейтронов с последующим расчетом значений флюенса нейтронов, показал высокую точность определения флюенса нейтронов и высокую достоверность получаемых результатов. В настоящее время авторами проводятся работы по аттестации комплекса как средства измерения. Исследовательские работы с использованием второго комплекса будут продолжены.

Каждый из комплексов будет использован на исследовательских ядерных установках в зависимости от решаемых на них задач. Они могут применяться не только при испытаниях на радиационную стойкость, но при проведении других научных исследований.