Исследование свойств компонентно-структурированных литийсодержащих покрытий высокотемпературных датчиков нейтронного потока

В работе представлены обоснование и разработка литийсодержащих (изотоп ⁶Li) компонентно-структурированных радиаторных покрытий для нейтронных ионизационных камер (ИК). Предложены покрытия с композитной двухслойной структурой: первый слой – адгезионный на основе термостойкого силикатного вяжущего, второй слой – нейтрон-чувствительный на основе фторида лития (LiF). Применение литийсодержащих радиаторных покрытий ИК позволяет повысить их эксплуатационные характеристики за счет меньшего «выгорания» по сравнению с существующими борными радиаторами из-за меньшего сечения и большего энерговыделения реакции ⁶Li(n, ⁴He)³H. Изучено влияние термического воздействия (600 °С) на микроструктуру слоев компонентно-структурированного покрытия. Исследованы ядерно-физические свойства литийсодержащих радиаторных покрытий в зависимости от содержания LiF в нейтрон-чувствительном слое. Показано влияние термоциклических нагрузок (интервал единичного цикла 20-600 °С, время выдержки при максимальной температуре 6.5 суток, 5 циклов) на удельную нейтронную чувствительность (η). Установлено, что после снижения значения η, обусловленного частичной термической эмиссией Li, происходит ее стабилизация при последующих термоциклах. При виброиспытаниях покрытий показано, что при высокочастотных (200-1000 Гц, ускорение 10g) воздействиях значение η покрытий остается неизменным.

1. Малышев Е.К., Засадыч Ю.Б., Стабровский С.А. Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов. М.: Энергатомиздат, 1991. 160 с.

2. Басков П.Б., Саламаха Б.С., Глазюк Я.В., Намакшинас А.А., Бондаренко С.А., Мушин И.М., Худин А.С. Литийсодержащие радиаторные материалы для нейтронных ионизационных камер // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2024. № 4. С. 56-68. DOI: 10.26583/npe.2024.4.05.

3. Гребенник В.Н., Кухаркин Н.Е., Пономарев-Степной Н.Н. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы – инновационное направление развития атомной энергетики. М.: Энергоатомиздат, 2008. 136 с.

4. Дмитриев А.Б., Малышев Е.К. Нейтронные ионизационные камеры для реакторной техники. М.: Атомиздат, 1975. 96 с.

5. Kouzes R.T., Ely J.H., Erikson L.E., Kernan W.J., Lintereur A.T., Siciliano E.R., Stephens D.L., Stromswold D.C., Van Ginhoven R.M., Woodring M.L. Neutron detection alternatives to 3He for national security applications // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2010. V. 623. Iss. 3. PP. 1035–1045. DOI: 10.1016/J.NIMA.2010.08.021.

6. Boron lined proportional counters. [Электронный ресурс]. URL: https:/www.exosens.com/products/boron-lined-proportional-counters (дата обращения 10.04.2025).

7. Schmidt S., Höglund C., Jensen J., Hultman L., Birch J., Hall-Wilton R. Low-temperature growth of boron carbide coatings by direct current magnetron sputtering and high-power impulse magnetron sputtering // Journal of Materials Science. 2016. V. 51. PP. 10418-10428. DOI:10.1007/s10853-016-0262-4.

8. Engels R., Clemens U., Kemmerling G., Schelten J. Properties of the Neutron Detector Based On Ionisation Chamber with 6Li Converters // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2005. V. 52. Iss. 6. P. 2907-2910. DOI: 10.1109/TNS.2005.860171.

9. Ianakiev K.D., Swinhoe M.T., Chung K., McKigney E.A. Large Area Neutron Detector Based on 6Li Ionization Chamber with Integrated Body Moderator of High Density Polyethylene // Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004. V. 1. DOI: 10.1109/NSSMIC.2004.1462233.

10. Шульгин Б.В., Петров В.Л., Пустоваров В.А., Арбузов В.И., Райков Д.В., Ивановских К.В., Ищенко А.В. Сцинтилляционные детекторы нейтронов на базе 6Li-силикатного стекла, активированного церием // Физика твердого тела, 2005. Т. 47. № 8. С. 1364-1367.

11. Osovizky A., Pritchard K., Ziegler J., Binkley E., Yehuda-Zada Y., Tsai P., Thompson A., Cooksey C., Siebein K., Hadad N., Jackson M., Hurlbut C., Ibberson R., Baltic G.M., Majkrzak C.F., Maliszewskyj N.C. 6LiF:ZnS(Ag) Mixture Optimization for a Highly Efficient Ultrathin Cold Neutron Detector // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. V. 65. Iss. 4. P. 1025-1032. DOI: 10.1109/TNS.2018.2809567.

12. Nigro V., Montereali R.M., Nichelatti E., Rufoloni A., Vincenti M.A. 6Li-enriched LiF films grown by thermal evaporation for neutron detection // Il Nuovo Cimento, 2021. V. 44C. P. 1-8. DOI 10.1393/ncc/i2021-21019-4.

13. Angelone M., Verona C. Properties of Diamond-Based Neutron Detectors Operated in Harsh Environments // Journal of Nuclear Engineering, 2021. V. 2. P. 422-470. DOI:10.3390/jne2040032.

14. Петцольд А., Пешманн Г. Эмаль и эмалирование. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990. 576 с.

15. Сычев М.М. Неорганические клеи. Л.: Химия, 1986. 152 с.