ДЕТЕКТОР ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК G01N23/222 G01T3/00 

Изобретение относится к области контроля за сохранностью делящихся материалов и может быть использовано для неразрушающего определения наличия в изделиях стабильного содержания делящихся материалов.

Известны различные типы детекторов делящихся материалов. Аналогом могут служить гамма-спектрометрические детекторы [1], определяющие количество и изотопный состав делящихся материалов по интенсивности и форме измеряемого гамма-спектра. Использование такого детектора ограничивается однородными по составу изделиями небольших размеров - весом около 100 г, собственное гамма-излучение делящихся материалов имеет небольшую энергию до 200 кэВ и глубина выхода таких гамма-квантов не превышает несколько миллиметров.

Наиболее близким по принципу действия к предлагаемому детектору делящихся материалов является детектор, получивший название Activ Well Coincidece Counter [2], который можно рассматривать в качестве прототипа предлагаемого изобретения. В этом детекторе измеряемый образец помещается в цилиндрическую полость объемом 6 л, окруженную полиэтиленовым замедлителем нейтронов с расположенными в замедлителе нейтронными счетчиками на основе ³Не. С обоих торцов полости образец просвечивается практически точечными Am-Li нейтронными источниками, вызывающими деление урана-235 или плутония-239. Так как процесс деления сопровождается одновременным вылетом нескольких нейтронов, то регистрация двух и более нейтронов в течение времени замедления нейтронов (т.е. в интервале примерно 60 мкс) однозначно связана с наличием в образце делящихся материалов, т. к. сам Am-Li источник испускает только одиночные нейтроны. Основную погрешность в измерения вносит пространственная неравномерность потока нейтронов от точечных Am-Li источников, что накладывает существенные ограничения на размер измерительной полости и, соответственно, на допустимые габариты образцов. Кроме того, любые неоднородности состава или конструкционные особенности измеряемых образцов могут существенно повлиять на калибровку детекторов и потребовать дополнительных измерений с конструктивно похожими эталонами.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и расширение функциональных возможностей детектора для определения наличия делящихся материалов в крупногабаритных изделиях.

Цель достигается тем, что:
в детекторе делящихся материалов, содержащем корпус, внутри которого находится цилиндрическая измерительная полость, содержащая фильтр медленных нейтронов, окруженная полиэтиленовым замедлителем нейтронов и расположенными в замедлителе нейтронными счетчиками на основе гелия-3, Am-Li источники нейтронов, электронный блок, в который дополнительно введен анализатор кратности нейтронных совпадений, а указанные источники состоят из генератора нейтронов, герметичной капсулы, медного отражателя; при этом генератор нейтронов выполнен в форме кольца с внешним диаметром 280 мм, а внутренним - 100 мм и формируется америцием, нанесенным тонким слоем на никелевую подложку, плотно состыкованным с металлическим литием толщиной 1 мм, генератор нейтронов заключен в герметичную металлическую капсулу диаметром 286 мм и высотой 31 мм, рабочей стороной источника является гладкая поверхность капсулы, с нерабочей стороны - привинчен медный отражатель, оба источника заключены в полиэтиленовую оболочку высотой 130 мм и диаметром 318 мм, расстояние от рабочей поверхности источника до полиэтилена составляет 20 мм, полиэтиленовая оболочка окружена кадмиевым листом и имеет съемные кадмиевые крышки.

Предложенное устройство представлено на фиг.1, где:
1 - цилиндрическая измерительная полость;
2 - полиэтиленовые кольца (замедлители нейтронов);
3 - нейтронные счетчики;
4 - пространственно-распределенные Am-Li источники;
5 - измеряемое изделие;
6 - электронный блок;
7 - вставка-фильтр медленных нейтронов.

На фиг.2 схематично представлена блок-схема анализатора нейтронных совпадений, где:
8 - сумматор;
9 - генератор задержки;
10 - вентиль;
11 - двоичный счетчик;
12 - регистр;
13 - контроллер;
14 - интерфейс.

Кратко остановимся на особенностях устройства.

Цилиндрическая измерительная полость (1) имеет диаметр 320 мм и высоту 540 мм и сформирована набором полиэтиленовых колец (2), служащих замедлителем нейтронов, внутри которых установлено 42 нейтронных счетчика с гелием-3 (3). Суммарная эффективность счетчиков к нейтронам деления, выходящим из измерительной полости, составляет 33%.

На фиг.3 схематично представлено устройство Am-Li источников, где:
14 - нейтронный генератор;
15 - герметичная капсула;
16 - отражатель (медь);
17 - полиэтилен;
18 - Кадмий.

Am-Li источники (4) выполнены в виде плоских колец, установленных на торцах измерительной полости, равномерно засвечивают нейтронами измеряемое изделие (5). Указанные источники (фиг.3) состоят из генератора нейтронов (14), герметичной капсулы (15), медного отражателя (16). Генератор нейтронов имеет форму кольца с внешним диаметром 280 мм и внутренним диаметром 100 мм и устроен следующим образом: америций, нанесенный тонким слоем на никелевую подложку, плотно прижат к металлическому литию толщиной 1 мм. Генерация нейтронов происходит при взаимодействии альфа-частиц, испускаемых Am, с ядрами лития. Генератор нейтронов заключен в герметичную металлическую капсулу диаметром 286 мм и высотой 31 мм. Герметизация источника осуществлялась в атмосфере аргона. Рабочей стороной источника является гладкая поверхность капсулы. С нерабочей стороны к источнику привинчен медный отражатель (16). К одному из источников прикреплена стальная втулка, обеспечивающая крепление к источнику подъемного штока. Оба источника заключены в полиэтиленовую оболочку высотой 130 мм, диаметром 318 мм, толщиной 20 мм. Полиэтиленовая оболочка (17) окружена кадмиевым листом (18) и имеет съемные кадмиевые крышки. Интенсивность каждого источника составляет 2000 нейтронов/с.

Замедлитель нейтронов изготовлен из полиэтилена и представляет собой кольцевой цилиндр высотой 1050 мм с внешним диаметром 600 мм и внутренним - 354 мм. В замедлителе на диаметрах 410 мм и 490 мм имеются отверстия, расположенные в два ряда. В каждом ряду по 21 отверстие. Диаметр каждого отверстия составляет 31 мм. В отверстиях располагаются ³Не счетчики. Полиэтиленовый замедлитель установлен в алюминиевый корпус. Указанный корпус представляет собой цилиндр, закрепленный на катающейся платформе, и закрыт сверху алюминиевой крышкой. Алюминиевый цилиндр имеет сверху разборный бокс для размещения в нем предусилителей ³Hе счетчиков. Дно полиэтиленового замедлителя заглушено съемной полиэтиленовой пробкой диаметром 353 мм и высотой 195 мм. Поскольку изделие эксплуатируется в четырех режимах, то для каждого режима существует свой набор конфигурационных вставок-фильтров.

В измерительную электронную систему входят девять предусилителей, коммутатор высокого напряжения, разветвитель питания предусилителей, крейт NIM, два пятивходовых дифференциальных дискриминатора, блок анализатора нейтронных совпадений, блок высокого напряжения, блок питания крейта. Блоки выполняют следующие функции: ПУ-02 (предварительный усилитель-формирователь) служит для усиления сигналов с ³Не счетчиков; БНН-01 (источник питания низковольтный); БНВ-05 (источник питания высоковольтный) служит для питания счетчиков; ДД-02 (дифференциальный дискриминатор импульсов) служит для подсчета импульсов от предусилителя, удовлетворяющих критерию отбора; АНС-01 (анализатор нейтронных совпадений) служит для предварительной обработки данных от ДД-02. ³Не счетчики работают в пропорциональном режиме. Напряжение питания счетчиков +(1500~ 2000) В. (Рабочее напряжение питания +1700 В). Давление газа ³Не 2 атм, диаметр счетчика 30 мм, высота - 1050 мм. Счетчик регистрирует заряженные частицы, получающиеся в результате захвата теплового нейтрона гелием-3, по реакции;
³Не+n-->p+Н.

³Не счетчики отобраны и сгруппированы по амплитуде сигнала при рабочем напряжении +1700 В. ³Не счетчики пронумерованы и занимают соответствующую позицию в блоке замедлителя. Сигналы от ³Не счетчиков поступают на девять пронумерованных предусилителей. Каждый предусилитель имеет пять входов. На каждый предусилитель поступают сигналы от пяти счетчиков. Высокое напряжение на ³Не счетчики подается через предусилители. Предусилители, разветвитель высокого напряжения, разветвитель питания предусилителей размещены с внутренней стороны электронного бокса блока замедлителя. Регистрация совпадений ведется электронным блоком (6) во временном окне с регулирумой длительностью (оптимальная длительность - 64 мкс), открываемом очередным регистрируемым нейтроном. Кратность совпадений определяется количеством нейтронов, зарегистрированных во временном окне.

Работа устройства:
Одним из признаков наличия в изделии делящегося материала является испускание им при делении его атомных ядер одновременно нескольких нейтронов. Интенсивность этих событий зависит от массы делящегося материала. На регистрации множественности нейтронов и построена работа детектора. Работа происходит следующим образом: нейтроны, испущенные Am-Li источниками, вызывает вынужденное деление атомных ядер образца. Быстрые нейтроны, испущенные образцом, замедляются до тепловых скоростей и затем либо захватываются в детекторе, либо уходят из него. Благодаря большому сечению (5700 барн) захвата тепловых нейтронов в реакции ³Не+n-->р+Н значительная доля нейтронов регистрируется ³Не счетчиками. Откликом прибора на событие с одновременным испусканием нескольких нейтронов является группа импульсов, скореллированных по времени появления в соответствии с распределением времени жизни нейтрона в детекторе. Среднее время жизни нейтрона в детекторе равно 50 мкс. Сигналы, поступающие с ³Не счетчиков на предусилители, отбираются по амплитуде дифференциальными дискриминаторами. Спектры импульсов со всех счетчиков подобны, они имеют форму асимметричного пика с затянутым спадом в сторону малых амплитуд. Дифференциальные дискриминаторы отбирают амплитуды, попадающие в область пика. Девять сигналов с дискриминаторов подаются через сумматор на вход генератора ворот, который запускается первым пришедшим импульсом и открывает вентиль для прохождения импульсов на вход пятиразрядного счетчика. По истечении времени задержки генератор останавливает подсчет импульсов и переносит количество подсчитанных импульсов из счетчика в регистр с последующим сбросом счетчика и выработкой сигнала запроса для контроллера. Таким образом схема устанавливается в исходное положение и готова к новому измерению. Контроллер, срабатывая от генератора ворот, считывает значение количества импульсов из регистра и производит его первичную обработку.

В схеме предусмотрена защита от считывания неверных данных, которая заключается в том, что генератор ворот не производит цикл перезаписи данных из счетчика в регистр в случае, если данные из регистра не были считаны контроллером.

После первичной обработки данные могут быть считаны через последовательный интерфейс RS-232 в компьютер для дальнейшей их обработки. ЭВМ осуществляет сбор и обработку данных. Фон случайных совпадений рассчитывается по формуле
N_n=N_s(w/τ)^n-1exp(-w/τ)/(n-1),
где N_n - число случайных совпадений кратности n;
w - длительность временного окна при регистрации совпадений;
- число запусков временного окна, N^e _n - измеренное число n-кратных совпадений;
τ= T/N_t - среднее расстояние между импульсами регистрации одиночных нейтронов, где Т - время измерения;
N_t - число нейтронов, зарегистрированных за время Т.

В результате для каждого изделия определяется интенсивность счетов одиночных нейтронов, двукратных, трехкратных и четырехкратных совпадений регистрации нейтронов счетчиками во временном окне, равном времени жизни нейтронов в системе.

Наборы данных об указанных интенсивностях представляют собой паспорта изделий, характеризующие наличие в них тех или иных делящихся материалов.

Литература
1. Патент США 4617466 от 14.10.86.

2. Проспект фирмы CANBERRA США "Активный колодезный счетчик совпадений JCC-51", CSP 0106 5, 1995.

Использование: для неразрушающего определения наличия в изделиях стабильного содержания делящихся материалов. Сущность: в детекторе источники нейтронов состоят из генератора нейтронов, герметичной капсулы медного отражателя. Генератор нейтронов имеет форму кольца с внешним диаметром 280 мм и внутренним диаметром 100 мм и состоит из америция, нанесенного тонким слоем на никелевую подложку, плотно прижатого к металлическому литию толщиной 1 мм. Генератор нейтронов заключен в герметичную металлическую капсулу диаметром 286 мм и высотой 31 мм, рабочей стороной источника является гладкая поверхность капсулы, с нерабочей стороны к источнику привинчен медный отражатель, оба источника заключены в полиэтиленовую оболочку высотой 130 мм и диаметром 318 мм, расстояние от рабочей поверхности источника до полиэтилена составляет 20 мм, полиэтиленовая оболочка окружена кадмиевым листом и имеет съемные кадмиевые крышки. Технический результат: расширение функциональных возможностей детектора для определения наличия делящихся материалов в крупногабаритных изделиях. 3 ил.

Детектор делящихся материалов, содержащий корпус, внутри которого находится цилиндрическая измерительная полость, содержащая фильтр медленных нейтронов и окруженная полиэтиленовым замедлителем нейтронов с расположенными в замедлителе нейтронными счетчиками на основе гелия-3, Аm-Li источники нейтронов, электронный блок, отличающийся тем, что в электронный блок дополнительно введен анализатор кратности нейтронных совпадений, а указанные источники состоят из генератора нейтронов, герметичной капсулы, медного отражателя, при этом генератор нейтронов выполнен в форме кольца с внешним диаметром 280 мм, а внутренним - 100 мм и формируется америцием, нанесенным тонким слоем на никелевую подложку, плотно состыкованным с металлическим литием толщиной 1 мм, генератор нейтронов заключен в герметичную металлическую капсулу диаметром 286 мм и высотой 31 мм, рабочей стороной источника является гладкая поверхность капсулы, с нерабочей стороны привинчен медный отражатель, оба источника заключены в полиэтиленовую оболочку высотой 130 мм и диаметром 318 мм, расстояние от рабочей поверхности источника до полиэтилена составляет 20 мм, полиэтиленовая оболочка окружена кадмиевым листом и имеет съемные кадмиевые крышки.