СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧИСЛА ДЕЛЕНИЙ В ИМПУЛЬСНОМ ПРОЦЕССЕ ДЕЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01T3/00 

1. Область техники и предполагаемая область использования
Предлагаемое изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, конкретно к методам регистрации импульсных процессов деления, и может быть использовано для определения числа делений, происходящих в импульсном источнике деления.

2. Уровень современной техники
В любом процессе деления, в т.ч. в импульсном, в результате деления рождаются нейтроны. Большая часть нейтронов испускается одновременно с актом деления - мгновенные нейтроны (МН), меньшая часть (порядка нескольких процентов) - в течение нескольких десятков секунд после деления - запаздывающие нейтроны (ЗН). Число тех и других нейтронов, возникших в процессе деления, однозначно связано с числом делений и между собой. Во многих случаях процесс деления возбуждается инициирующим нейтронным генератором (ИНГ).

Известен активационный способ регистрации нейтронов, возникающих в процессе деления /Климентов В.Б., Копчинский Г.А., Фрунзе В.В. Активационные измерения потоков и спектров нейтронов в ядерных реакторах. М. Изд-во стандартов, 1974 г., С.13//1/. Способ заключается в том, что нейтроны взаимодействуют с ядрами образца-индикатора, образуя в результате ядерной реакции радиоактивный изотоп. Характерное излучение образца-индикатора (либо определенная часть спектра излучения - фотопик, либо временное распределение излучения, либо то и другое вместе) измеряется соответствующим детектором. По количественным характеристикам этого излучения определяется выход нейтронов - число нейтронов, выходящих с поверхности источника.

При этом выходные импульсы детектора не синхронны (разделены во времени) с актом активации индикатора.

Недостатком способа является то, что в этом способе регистрируется лишь результат взаимодействия нейтронов с веществом индикатора, а не сами нейтроны, и для интерпретации результатов измерения необходимо знать спектральную зависимость сечения используемой реакции и спектр выходящего излучения.

Другим недостатком способа является невозможность разделения вклада в активацию индикатора собственно нейтронов деления и нейтронов внешнего источника.

Известен способ регистрации числа нейтронов (выхода нейтронов) в кратковременном импульсе / В.М. Горбачев, Ю.С. Замятнин. Определение интенсивности кратковременных импульсов быстрых нейтронов. Атомная энергия, т.3, N8, (1957), с. 101-105//2/. Способ заключается в том, что мгновенные нейтроны, испущенные импульсным источником, замедляются в детекторе и захватываются ядрами замедлителя с испусканием гамма-квантов. Отдельные акты захвата регистрируются чувствительным к этим гамма-квантам детектором. Количество сосчитанных регистрирующей аппаратурой импульсов пропорционально числу испущенных нейтронов (выходу нейтронов).

Замедление нейтронов в этом способе необходимо в связи с ограниченным быстродействием измерительной аппаратуры. Мгновенные нейтроны, "сжатые" в очень кратковременном первичном импульсе, необходимо растянуть во времени. Для этого используется замедлитель - вещество с большой замедляющей способностью и малым сечением захвата нейтронов. Но даже в лучших замедлителях время жизни нейтронов составляет около 100 мкс, плотность потока нейтронов убывает по экспоненте, так что фактический интервал регистрации нейтронов в детекторе составляет около 300 мкс.

Быстродействие измерительного канала, определяемое детектором и регистрирующей аппаратурой, выражается величиной разрешающего времени - интервалом между 2-мя соседними импульсами, которые еще считаются аппаратурой раздельно. В современной аппаратуре это время примерно равно 0.1 мкс. При меньшем интервале два импульса сливаются в один - это явление называется просчетом. Относительное число просчетов определяется произведением n•τ, где n - частота следования импульсов, τ - разрешающее время.

Обычно допустимой считается величина просчетов 10%, что соответствует предельной частоте следования импульсов 10⁶ имп/с. Отсюда верхний предел диапазона регистрации 300-400 отсчетов за интервал регистрации.

Нижний предел диапазона регистрации определяется статистической представительностью числа зарегистрированных импульсов - обычно это 30-40 отсчетов за интервал регистрации.

Невозможность существенного увеличения быстродействия регистратора и статистическое ограничение на нижнем пределе - ограничения принципиального характера.

Таким образом, диапазон регистрации выхода нейтронов этим способом составляет примерно один порядок (одну декаду). Это является первым недостатком способа.

Другим недостатком способа является невозможность разделения собственно нейтронов деления и нейтронов внешнего инициирующего генератора (ИНГ). Все они, попав в детектор, замедляются и захватываются одинаково. Это вносит в результат измерений дополнительную неопределенность, связанную с вкладом нейтронов ИНГ.

Итак, недостатки способа состоят в:
1) малом диапазоне измерения (около одного порядка),
2) невозможности разделить нейтроны деления и нейтроны ИНГ.

3. Сущность изобретения
Общепринятым параметром для характеристики нейтронных источников является нейтронный выход /М. А. Бак, Н.С.Шиманская. Нейтронные источники. М., Атомиздат, 1969, с.20/. Для импульсных процессов деления (импульсные ядерные реакторы и др. ) важной характеристикой является число делений в импульсе. Авторам неизвестны способы, определяющие эту характеристику импульсного процесса деления.

Задача состоит в создании способа определения числа делений, позволяющего получить эту характеристику импульсного процесса в широком диапазоне изменения ее величины с одновременным устранением неопределенности, связанной с вкладом нейтронов инициирующего нейтронного генератора (ИНГ) в результат измерений. Техническим результатом является расширение диапазона регистрации числа делений и устранение неопределенности, связанной с вкладом нейтронов ИНГ в результат измерений.

Данный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе производят регистрацию временного распределения запаздывающей части нейтронного импульса, определяют число зарегистрированных запаздывающих нейтронов и используют найденное число запаздывающих нейтронов при определении числа делений в импульсном процессе деления.

Характерный интервал испускания запаздывающих нейтронов (ЗН) составляет около 10-20 секунд, хотя отдельные ядра-предшественники имеют период полураспада около 60 секунд. Детектор регистрирует временное распределение интенсивности ЗН - число регистрируемых ЗН на последовательных интервалах времени. На основании имеющихся справочных данных /Гордеев И.В. и др. Ядерно-физические константы. М., Госатомиздат, 1963 г.//3/ можно связать зависимость от времени интенсивности испускания ЗН (фиг.1) с числом образовавшихся в импульсе делений запаздывающих нейтронов и, далее, с числом делений в импульсном процессе деления.

Анализ зависимости от времени интенсивности испускания ЗН показывает, что, даже исходя из быстродействия аппаратуры (разрешающего времени) 10^-6 с, верхняя граница скорости счета 10⁵ отсчетов/с (что соответствует 10% просчетам) отвечает верхней границе диапазона регистрации интегрального числа отсчетов, соответствующих ЗН, около 10⁸ отсчетов. Нижняя граница определяется статистической значимостью числа зарегистрированных ЗН и может быть принята равной 100 отсчетам (статистическая погрешность 10% при доверительной вероятности 0.68). Таким образом, диапазон регистрации числа делений этим способом составляет по крайней мере 6 порядков.

Регистрация временной зависимости обеспечивает дополнительную идентификацию регистрируемого процесса и за счет обработки различных ее частей на различных временных интервалах способствует расширению диапазона измерений.

Поскольку практически все мгновенные нейтроны, в т.ч. и нейтроны ИНГ, замедляются и захватываются за время примерно 300 мкс после импульса, они никак не могут быть зарегистрированы этим способом. Таким образом, устраняется неопределенность, связанная с неизвестным вкладом нейтронов ИНГ в результат измерений в известных способах.

4. Перечень фигур и графических изображений
На фиг. 1 приведена зависимость от времени интенсивности испускания запаздывающих нейтронов, нормированная на начальное число запаздывающих нейтронов, равное 1.

На фиг. 2 приведена блок-схема постановки измерений предлагаемым способом, где:
1 - импульсный источник нейтронов деления,
2 - детектор нейтронов,
3 - усилитель,
4 - схема запуска и синхронизации,
5 - временной анализатор импульсов детектора.

На фиг.3 приведен результат измерений - временное распределение зарегистрированных запаздывающих нейтронов. Точки - экспериментальные значения, сплошная кривая - расчет, суммированный с уровнем фона на момент окончания измерений.

5. Сведения, подтверждающие возможность достижения технического результата
Способ определения числа делений может быть реализован с помощью схемы, изображенной на фиг.2.

Для реализации способа в ней в качестве составляющих используются следующие элементы:
источник нейтронов, детектор нейтронов, усилитель, схема запуска и синхронизации, регистратор.

В возникающем под воздействием инициирующего нейтронного генератора (ИНГ, на схеме не указан) импульсе делений в источнике 1 рождаются мгновенные и запаздывающие нейтроны. Временное распределение запаздывающих нейтронов в виде импульсов, поступающих с детектора 2 после усиления в усилителе 3, регистрируется временным анализатором 5. Процесс регистрации запускается схемой 4.

Временное распределение импульсов детектора, изображенное на фиг.3, обрабатывается стандартным методом наименьших квадратов /Ю.В. Линник. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М., Физматгиз, 1958 г. //4/с целью выделения части, обязанной запаздывающим нейтронам, и определяется число зарегистрированных запаздывающих нейтронов N_зн. Для зависимости, приведенной на фиг.3, это число равно 2.96•10⁵.

Число делений определяется следующим образом:
Берется число зарегистрированных ЗН N_зн, далее определяется число вышедших из источника запаздыващих нейтронов N_tot согласно выражению
N_tot = N_зн/ε, (1)
где ε - эффективность регистрации детектора для конкретной геометрии измерений, определяемой из предварительных измерений и расчетов, в соответствии, например, с /К.Клайнкнехт. Детекторы корпускулярных излучений. М., Мир, 1990 г. , с.52-54, А.И.Абрамов, Ю.А.Казанский, Е.С.Матусевич. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Атомиздат. 1977 г., с.102-107//5/,/6/.

Затем находится число делений N_f из выражения
N_f = N_tot/ϕ, (2)
где ϕ - расчетный коэффициент выхода запаздывающих нейтронов из источника, нормированный на одно деление в источнике.

Расчет коэффициента ϕ проводится для конкретной геометрии делящейся системы, состава ее материалов, местоположения ИНГ методом Монте-Карло (методом статистических испытаний) /Е.Н. Донской, В.А.Ельцов, А.К.Житник и др. Метод Монте-Карло во ВНИИЭФ. //Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 1993. Вып.2. С.61-64/.

Таким образом, заявленный способ позволяет расширить диапазон регистрации числа делений и дополнительно устранить неопределенность, связанную с вкладом нейтронов инициирующего нейтронного генератора (ИНГ) в результат измерений.

Использование: изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, конкретно к методам регистрации импульсных процессов деления, и может быть использовано для определения числа делений, происходящих в импульсном источнике нейтронов деления. Сущность: производят регистрацию временного распределения запаздывающей части нейтронного импульса, определяют число зарегистрированных запаздывающих нейтронов и используют найденное число запаздывающих нейтронов при определении числа делений. Техническим результатом является расширение диапазона регистрации числа делений и устранение неопределенности, связанной с вкладом нейтронов инициирующего нейтронного генератора в результат измерений. 3 ил.

Способ определения числа делений в импульсном процессе деления по числу зарегистрированных нейтронов, заключающийся в том, что производят регистрацию временного распределения запаздывающей части нейтронного импульса, находят число зарегистрированных запаздывающих нейтронов и используют найденное число запаздывающих нейтронов при определении числа делений в импульсном процессе деления.