Compton detector of neutrons for the energy yieldcontrol in the active zone of WWER

The article examines the processes of radiative neutron capture by nuclei of atoms of metallic rhodium and hafnium. Rhodium is used as the emitter in the direct charge detectors of neutrons, which are used to control the energy yield in the core of nuclear power reactors. A new Compton direct charge detector (DCD) (so-called SPND – Self Powered Neutron Detector) with the emitter of the metallic Hf is proposed. The specifics of the signal formation of the β-emission and Compton neutron detectors are considered. The signal lag time of the rhodium detector was calculated and the respective published data was studied, and the conclusion was made that the use of β-emission detectors for the detection of rapid changes of the neutron flux density is inappropriate. The main advantages of the hafnium emitter is a long “burnout” time of the emitter material and the instantaneous response to changes in the neutron flux in the reactor core. Therefore, the use of detectors with such emitters will simultaneously enhance the reliability and safety of operation of the reactors that are in use currently and those that are being developed.Розглянуті процеси радіаційного захоплення нейтронів ядрами атомів металів родію і гафнію. Родій використовується в якості емітера в детекторах нейтронів прямого заряду, які застосовуються для контролю енерговиділення в активній зоні ядерних реакторів АЕС. Запропоновано новий комптонівський детектор прямого заряду з емітером із металевого Hf. Розглянуто особливості формування сигналів β-емісійних і комптонівських детекторів нейтронів. Розраховано час запізнювання сигналу родієвого детектора, також проведено аналіз літературних даних і зроблено висновок про недоцільність використання β-емісійного детектора в умовах швидких змін щільності потоку нейтронів. Основними перевагами гафнієвого емітера є великий час «вигорання» матеріалу емітера і миттєва реакція детектора на зміну щільності потоку нейтронів в активній зоні реактора. Отже, використання детекторів з такими емітерами дозволить одночасно посилити надійність і безпеку експлуатації сучасних і розроблюваних реакторів.Рассмотрены процессы радиационного захвата нейтронов ядрами атомов металлических родия и гафния. Родий используется в качестве эмиттера в детекторах нейтронов прямого заряда, которые применяются для контроля энерговыделения в активной зоне ядерных реакторов АЭС. Предложен новый комптоновский детектор прямого заряда с эмиттером из металлического Hf. Рассмотрены особенности формирования сигналов β-эмиссионных и комптоновских детекторов нейтронов. Рассчитано время запаздывания сигнала родиевого детектора, также проведен анализ литературных данных и сделан вывод о нецелесообразности использования β-эмиссионного детектора в условиях быстрых изменений плотности потока нейтронов. Основными преимуществами гафниевого эмиттера являются: большое время «выгорания» материала эмиттера и мгновенная реакция детектора на изменение плотности потока нейтронов в активной зоне реактора. Следовательно, использование детекторов с такими эмиттерами позволит одновременно усилить надежность и безопасность эксплуатации современных и разрабатываемых реакторов

Hafnium in nuclear power industry: the evolution of increasing of the economic indicators and the operation safety of pressurized water nuclear reactors

А further increase of the reliability, safety and efficiency of nuclear reactors, the extension of the nuclear fuel campaign and a better control of the fuel burning-out level demand to search for and use new materials. New materials are also necessary for new energy release management elements in the active zone. In this paper, the potential place that hafnium could occupy in the solution of the mentioned tasks is discussed. The high values of the absorption cross-section for thermal and epithermal neutrons, high corrosion resistance, good mechanical properties and heat conduction of hafnium allow for its use, without any barrier coatings, as the absorbing and structural material for regulation rods of nuclear reactors. Another application of high purity hafnium in the nuclear power industry can be in the emitter material of Compton-type Self-Powered Neutron Detectors (SPND). Such SPND will have instant response to neutron flux changes, which will allow to reach positive effects on the reactor safety and efficiency: increase fuel burning-out times; control the crisis boiling coordinates and time; exclude the processes, which could cause heavy accidents).Збільшення надійності та безпеки, підвищення ефективності ядерних реакторів, подовження кампанії палива та контроль рівня його вигоряння вимагають пошуку і використання нових матеріалів, в тому числі, й для елементів управління енерговиділенням в активній зоні. У роботі розглядається, яке місце може зайняти гафній при вирішенні перерахованих завдань. Високі перетини поглинання теплових і резонансних нейтронів, корозійна стійкість, механічні властивості та теплопровідність гафнію дозволяють використовувати його без оболонок і покриттів в якості поглинаючого та одночасно конструкційного матеріалу для регулюючих стрижнів ядерних реакторів. Іншим застосуванням чистого гафнію в ядерній енергетиці може бути використання його в якості емітера в комптонівському детекторі прямого заряду (ДПЗ). Такий ДПЗ буде мати миттєву реакцію на зміни потоку нейтронів, що багато в чому дозволить досягти позитивних ефектів (збільшення вигоряння палива; контролю координати і часу кризового кипіння; виключення процесів, що призводять до тяжких аварій).Увеличение надёжности и безопасности, повышение эффективности ядерных реакторов, продление кампании топлива и контроль уровня его выгорания требуют поиска и использования новых материалов, в том числе и для элементов управления энерговыделением в активной зоне. В работе обсуждается, какое место может занять гафний при решении перечисленных задач. Высокие сечения поглощения тепловых и резонансных нейтронов, коррозионная стойкость, механические свойства и теплопроводность гафния позволяют использовать его без оболочек и покрытий в качестве поглощающего и одновременно конструкционного материала для регулирующих стержней ядерных реакторов. Другим применением чистого гафния в ядерной энергетике может быть использование его в качестве эмиттера в комптоновском детекторе прямого заряда (ДПЗ). Такой ДПЗ будет обладать мгновенной реакцией на изменения потока нейтронов, что во многом позволит достичь положительных эффектов (увеличения выгорания топлива; контроля координаты и времени кризисного кипения; исключения процессов, приводящих к тяжелым авариям)

Development and application of metal contacts on polycrystalline diamond films using combination of HF and arc plasma sources

In this paper, the technology of application of ohmic contacts using arc discharge assisted by HF field was developed for semiconductor radiation detectors production. Polycrystalline diamond material for production of detectors was synthesized by chemical vapor deposition method (CVD) in NSC KIPT. Bilayer contacts were deposited on polycrystalline CVD (pCVD) diamond films, where the first layer was chromium, and the second layer – copper or stainless steel respectively. Electro-physical characteristics of pCVD diamond detectors with different contact materials were studied.Представлена технология нанесения омических контактов с помощью дугового разряда с ассистирован-ным ВЧ-полем для полупроводниковых датчиков ионизирующего излучения. Поликристаллический алмазный материал для производства детекторов был синтезирован методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) в ННЦ ХФТИ. Двухслойные контакты наносились на pCVD-алмазные пленки, первый слой состоял из хрома, а второй – из меди или нержавеющей стали соответственно. Исследованы электрофизические характеристики детекторов на основе поликристаллического алмаза с разным материалом контактов.Представлена технологія нанесення омічних контактів за допомогою дугового розряду з асистированим ВЧ-полем для напівпровідникових датчиків іонізуючого випромінювання. Полікристалічний алмазний матеріал для виробництва детекторів був синтезований методом хімічного осадження з парової фази (CVD) в ННЦ ХФТІ. Двошарові контакти наносилися на pCVD-алмазні плівки, перший шар був з хрому, а другий – з міді або нержавіючої сталі відповідно. Досліджено електрофізичні характеристики детекторів на основі полікристалічного алмазу з різним матеріалом контакту

Application of CdTe (CdZnTe) detectors for radioactive waste characterization

The radiation detectors based on wide-zone semiconductor CdTe (CdZnTe) monocrystals have promising advantages for their application in investigation (characterization) of radioactive waste. Among these advantages there are the wide range of photons flux and energy, high registration efficiency and satisfactory energy resolution without deep cooling of the detector. This report discusses the obtained data concerning radiation stability of detectors, influence of different conditions (filters, collimators, registration channel fill etc.) on their energy resolution in spectrometric regime, as well as a dependence of radionuclide identification accuracy on detector size

Hafnium in nuclear power industry: the evolution of increasing of the economic indicators and the operation safety of pressurized water nuclear reactors

А further increase of the reliability, safety and efficiency of nuclear reactors, the extension of the nuclear fuel campaign and a better control of the fuel burning-out level demand to search for and use new materials. New materials are also necessary for new energy release management elements in the active zone. In this paper, the potential place that hafnium could occupy in the solution of the mentioned tasks is discussed. The high values of the absorption cross-section for thermal and epithermal neutrons, high corrosion resistance, good mechanical properties and heat conduction of hafnium allow for its use, without any barrier coatings, as the absorbing and structural material for regulation rods of nuclear reactors. Another application of high purity hafnium in the nuclear power industry can be in the emitter material of Compton-type Self-Powered Neutron Detectors (SPND). Such SPND will have instant response to neutron flux changes, which will allow to reach positive effects on the reactor safety and efficiency: increase fuel burning-out times; control the crisis boiling coordinates and time; exclude the processes, which could cause heavy accidents).Збільшення надійності та безпеки, підвищення ефективності ядерних реакторів, подовження кампанії палива та контроль рівня його вигоряння вимагають пошуку і використання нових матеріалів, в тому числі, й для елементів управління енерговиділенням в активній зоні. У роботі розглядається, яке місце може зайняти гафній при вирішенні перерахованих завдань. Високі перетини поглинання теплових і резонансних нейтронів, корозійна стійкість, механічні властивості та теплопровідність гафнію дозволяють використовувати його без оболонок і покриттів в якості поглинаючого та одночасно конструкційного матеріалу для регулюючих стрижнів ядерних реакторів. Іншим застосуванням чистого гафнію в ядерній енергетиці може бути використання його в якості емітера в комптонівському детекторі прямого заряду (ДПЗ). Такий ДПЗ буде мати миттєву реакцію на зміни потоку нейтронів, що багато в чому дозволить досягти позитивних ефектів (збільшення вигоряння палива; контролю координати і часу кризового кипіння; виключення процесів, що призводять до тяжких аварій).Увеличение надёжности и безопасности, повышение эффективности ядерных реакторов, продление кампании топлива и контроль уровня его выгорания требуют поиска и использования новых материалов, в том числе и для элементов управления энерговыделением в активной зоне. В работе обсуждается, какое место может занять гафний при решении перечисленных задач. Высокие сечения поглощения тепловых и резонансных нейтронов, коррозионная стойкость, механические свойства и теплопроводность гафния позволяют использовать его без оболочек и покрытий в качестве поглощающего и одновременно конструкционного материала для регулирующих стержней ядерных реакторов. Другим применением чистого гафния в ядерной энергетике может быть использование его в качестве эмиттера в комптоновском детекторе прямого заряда (ДПЗ). Такой ДПЗ будет обладать мгновенной реакцией на изменения потока нейтронов, что во многом позволит достичь положительных эффектов (увеличения выгорания топлива; контроля координаты и времени кризисного кипения; исключения процессов, приводящих к тяжелым авариям)

Calibration of CVD-diamond based dosimeter in high-power electron and X-ray radiation fields

Results of a study of dosimetry characteristics of a prototype of the detector based on a polycrystalline diamond film (CVD-diamond) produced in NSC KIPT are summarized. The techniques of the detector calibration against the electron and X-ray radiation dose rate are developed. The conditions of calibration were studied by means of computer simulation. For determination of detector sensitivity to electron radiation, it was placed inside of a standard polystyrene phantom. An additional filter of electrons was used at measurement in the X-ray field. Every time detector irradiation was carried out together with the Harwell Red Perpex 4034 dosimeters, which registrations provided the calibration data. The measurements, executed at the LU-10, EPOS and LU-40 linacs of NSC KIPT, have demonstrated, that the values of detector sensitivity against each type of radiation are close and conform to ones obtained earlier for the low-intensity radiation fields. Considering significant radiation durability of the CVD-diamond, it enables its application in technological dosimetry.Описаны результаты исследования дозиметрических характеристик изготовленного в ННЦ ХФТИ опытного образца детектора на основе поликристаллической алмазной пленки (CVD-алмаз). Разработаны методики калибровки детекторов по мощности поглощенной дозы электронного и тормозного излучений. Условия калибровки исследованы методом компьютерного моделирования. Для определения чувствительности детектора к электронному излучению его помещали внутри фантома из полистирола. При измерениях в поле тормозного излучения использовался дополнительный фильтр электронов. В каждом случае облучение детектора выполнялось совместно с дозиметрами Harwell Red Perspex 4034, по показаниям которых производилась калибровка. Проведенные на ускорителях ЛУ-10, ЭПОС и ЛУ-40 ННЦ ХФТИ измерения показали, что значения чувствительности детектора для каждого вида излучения близки и согласуются с полученными ранее в условиях полей излучения низкой интенсивности. Учитывая высокую радиационную стойкость CVD-алмаза, это обеспечивает возможность его применения в технологической дозиметрии.Описанo результати дослідження дозиметричних характеристик виготовленого в ННЦ ХФТІ дослідного зразка детектора на основі полікристалічної алмазної плівки (CVD-алмаз). Розроблено методики калібрування детекторів за потужністю поглинутої дози електронного та гальмівного випромінювань. Методом комп'ютерного моделювання досліджені умови калібрувань. Для визначення чутливості детектора до електронного випромінювання його розміщували усередині стандартного фантома з полістиролу. При вимірюваннях у полі гальмівного випромінювання використовувався додатковий фільтр електронів. У кожному випадку опромінювання детектора виконувалося спільно з дозиметрами Harwell Red Perpex 4034, за показаннями яких проводилося калібрування. Проведені на прискорювачах ЛУ-10, ЕПОС та ЛУ-40 ННЦ ХФТІ вимірювання показали, що значення чутливості детектора для кожного виду випромінювання є близькі і узгоджуються з такими, що одержані раніше в умовах полів випромінювання низької інтенсивності. Зважаючи на значну радіаційну стійкість CVD-алмазу, це забезпечує можливість його застосування в технологічній дозиметрії

Development and study of characteristics of stripped detectors on the basis of CVD-diamond

The prototypes of the coordinate-sensitive semiconductor detectors based on polycrystalline diamond films (CVD-diamond) have been manufactured in the NSC KIPT. In this communication, a version of the detector with the strip-type contacts and its characteristics are described. The techniques of the detector calibration both as a whole and for separate groups of the strips against the absorbed dose rate of the electron and bremsstrahlung radiation are developed. By means of the computer simulations, an independent analysis of conditions of the radiation field registration with the detector has been conducted. The experiments carried out at the LU-10 accelerator at NSC KIPT have shown that the sensitivities of the separate elements (strips) of the detector are similar. The results of the measurements of the volume sensitivity of the detector are in agreement with the data received earlier for a singlecontact detector. The possibility of the detector application in the study of transverse dynamics of an electron beam is shown.В ННЦ ХФТИ созданы опытные образцы координатно-чувствительных полупроводниковых детекторов на основе поликристаллической алмазной плѐнки (CVD-алмаз). Описаны вариант детектора со стриповым типом контактов и его характеристики. Разработаны методики калибровки детектора в целом и его отдельных элементов (групп стрипов) по мощности поглощѐнной дозы электронного и тормозного излучений. Независимый анализ условий регистрации детектором полей излучения выполнен методом компьютерного моделирования. Проведенные на ускорителе ЛУ-10 ННЦ ХФТИ эксперименты показали, что значения чувствительности отдельных элементов (стрипов) детектора близки между собой. Результаты измерений интегральной чувствительности детектора согласуются с данными, полученными ранее в условиях полей излучения низкой интенсивности. Продемонстрирована возможность применения детектора в исследованиях поперечной динамики пучка электроновУ ННЦ ХФТІ створені дослідні зразки координатно-чутливих напівпровідникових детекторів на основі полікристалічної діамантової плівки (CVD-алмаз). Описано варіант детектора із стриповим типом контактів і його характеристики. Розроблені методики калібрування детектора в цілому і його окремих елементів (груп стрипів) за потужністю поглиненої дози електронного і гальмівного випромінювань. Незалежний аналіз умов реєстрації детектором полів випромінювання виконаний методом комп'ютерного моделювання. Проведені на прискорювачі ЛУ-10 ННЦ ХФТІ експерименти показали, що значення чутливості окремих елементів (стрипів) детектора близькі між собою. Результати вимірювань інтегральної чутливості детектора узгоджуються з даними, отриманими раніше в умовах полів випромінювання низької інтенсивності. Продемонстрована можливість застосування детектора в дослідженнях поперечної динаміки пучка електронів

Gamma-ray detector based on high pressure xenon for radiation and environmental safety

Gamma-spectrometers based on compressed xenon gas assigned for monitoring the reactors and the radiation background at nuclear power plants, non-proliferation of radioactive materials, supervision and control over the radiation background in the environmentally disadvantaged areas, and other applications, are very promising detectors with excellent performance characteristics. This article reports on the results of the first stage of work on the creation of the portable γ-spectrometer based on compressed xenon that is unique for Ukraine. In order to work with ultra-pure gases under pressure, the complex cryogenic installation for Xe purification and detector filling was designed and manufactured. The installation was made of specially cleaned components, equipped with a heating system for the degassing of the inner walls, and is able of maintaining high vacuum down to 2∙10⁻⁹ mbar. A prototype ionization chamber for the use in portable HPXe detectors was developed and made. For the detector testing, a spectrometric channel based on high-quality electronic components was designed and manufactured. In the initial experiments, a study of the properties of the purified Xe mixed with the dopant H₂ was carried out. The assessment of the lifetime of charge carriers τ in the working gas at a pressure of 30 bar gave the value of τ > 150 μs.Гамма-спектрометри на основі стисненого газу ксенону, що призначені для спостереження і контролю за реакторами і навколишнім фоном на АЕС, нерозповсюдженням радіоактивних матеріалів, радіаційним фоном в екологічно несприятливих зонах і інших застосувань, є дуже перспективними детекторами з відмінними експлуатаційними характеристиками. Дана стаття присвячена результатам першої стадії роботи по створенню унікального для України переносного γ-спектрометра на основі стисненого ксенону. Для роботи з чистими газами під тиском розроблена і виготовлена комплексна кріогенна установка очищення і напуску Xe. Установка створена на основі особливо чистих комплектуючих, оснащена системою прогріву для дегазації внутрішніх стінок і здатна підтримувати високий вакуум до 2∙10⁻⁹ мбар. Розроблено та виготовлено прототип іонізаційний камери для використання в переносних HPXe-детекторах. Для роботи детекторів розроблений і виготовлений спектрометричний тракт на основі високоякісних електронних блоків. В якості перших випробувань проведені дослідження властивостей суміші очищеного Хе з легуючою домішкою H₂. При оцінці часу життя носіїв заряду τ в робочому газі під тиском 30 бар отримані значення τ > 150 мкс.Гамма-спектрометры на основе сжатого газа ксенона, предназначенные для наблюдения и контроля за реакторами и окружающим фоном на АЭС, нераспространением радиоактивных материалов, радиационным фоном в экологически неблагоприятных зонах и других применений, являются очень перспективными детекторами с отличными эксплуатационными характеристиками. Данная статья посвящена результатам первой стадии работы по созданию уникального для Украины переносного γ-спектрометра на основе сжатого ксенона. Для работы с чистыми газами под давлением разработана и изготовлена комплексная криогенная установка очистки и напуска Xe. Установка создана на основе особо чистых комплектующих, оснащена системой прогрева для дегазации внутренних стенок и способна поддерживать высокий вакуум до 2∙10⁻⁹ мбар. Разработан и изготовлен прототип ионизационной камеры для использования в переносных HPXe-детекторах. Для работы детекторов разработан и изготовлен спектрометрический тракт на основе высококачественных электронных блоков. В качестве первых испытаний проведены исследования свойств смеси очищенного Хе с легирующей добавкой H₂. При оценке времени жизни носителей заряда τ в рабочем газе под давлением 30 бар получены значения τ > 150 мкс

Registration of high-intensity electron and x-ray fields with polycrystalline CVD diamond detectors

N/

Mineral insulators for kompton detectors of neutrons with a metal hafnium emitter

One of the priority tasks of nuclear power industry is to increase the reliability and safety of nuclear power plants. In this regard, traditional detectors for measuring the neutron flux in the reactor core are being improved and new ones are developed. This work is dedicated to one of the tasks of creating a compton self-powered neutron detector, namely, the formation of an insulator of magnesium oxide on an emitter of metallic hafnium. The effect of three types of magnesium oxide of different purity and structural state, as well as annealing temperature on the electrical resistance of the insulator between the collector and the emitter of the detector, is studied. The detector prototypes were manufactured by filling with magnesium oxidepowders or by applying liquid-phase mixturesthereof.Одним з пріоритетних завдань атомної енергетики є підвищення надійності та безпеки ядерноенергетичних блоків. З цією метою вдосконалюються та розробляються нові датчики для вимірювання потоку нейтронів в активній зоні реактора. Дана робота присвячена дослідженню магнію оксиду як ізолятора в комптоновських детекторах прямого заряду з емітером з металевого гафнію. Досліджено вплив трьох видів магнію оксиду різного за чистотою та структурою, а також температури відпалу на електроопір ізолятора між колектором та емітером детектора. Виготовлена ізоляція дослідженних зразків детектора щляхом насипу та нанесенням рідкофазної магнієвої суміші.Одна из наиболее приоритетных задач атомной энергетики – повышение надежности и безопасности ядерно-энергетических установок. В связи с этим совершенствуются и разрабатываются новые датчики измерения потока нейтронов в активной зоне реактора. Данная работа посвящена одному из этапов создания комптоновского детектора прямого заряда, а именно формированию изолятора из окиси магния на эмиттере из металлического гафния. Исследовано влияние трех видов оксида магния различной чистоты и структурного состояния, а также температуры отжига на электросопротивление изолятора между коллектором и эмиттером детектора. Изготовлены опытные образцы детекторов методами засыпки и нанесения жидкофазной смеси оксида магния