УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СЧЕТА Российский патент 2013 года по МПК G01T3/00 

Область техники и уровень техники

Настоящее изобретение относится к устройству измерения скорости счета камеры деления, а также к устройству калибровки камеры деления, которое содержит устройство измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением. Настоящее изобретение относится также к способу измерения скорости счета камеры деления.

Камеры деления используют для обнаружения нейтронов. Камера деления содержит делящееся вещество и газ, который может ионизироваться. Под действием нейтронов делящееся вещество испускает частицы, которые ионизируют газ. Количество ионизированного газа отображает количество нейтронов, входящих в камеру деления. В испускании частиц, ионизирующих газ, участвует только часть делящегося вещества, называемая эффективной массой. На практике точное знание эффективной массы необходимо для определения абсолютных физических величин, которыми являются нейтронный поток или спектральные коэффициенты. Устройство калибровки в соответствии с настоящим изобретением позволяет измерять эффективную массу делящегося изотопа.

В настоящее время калибровку камер деления осуществляют в ядерном реакторе либо по тепловому спектру (тепловая колонна), либо по спектру деления. Для этого были разработаны многочисленные методы калибровки. Все эти методы требуют наличия и использования исследовательского реактора. Из соображений безопасности эти методы требуют использования экспериментальных процедур, которые являются сложными в применении и, следовательно, дорогими. Кроме того, исследовательских реакторов, оборудованных калибровочными устройствами, в мире становится все меньше, поэтому для калибровки камер деления приходится прибегать к перемещению оборудования.

Известные устройства калибровки имеют много недостатков. Устройство калибровки в соответствии с настоящим изобретением этих недостатков не имеет.

Раскрытие изобретения

В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство измерения скорости счета, по меньшей мере, одной камеры деления, которая содержит делящееся вещество. Устройство содержит:

- измерительный блок, который содержит камеру деления,

- генератор нейтронов, который испускает нейтроны в виде периодических импульсов в направлении камеры деления,

- измерительный кабель, в который через соединитель поступает сигнал, выдаваемый камерой деления в результате взаимодействия нейтронов с делящимся веществом,

- счетчик нейтронов, который выдает сигнал подсчета нейтронов, испускаемых генератором нейтронов,

- систему обработки, которая выдает в заранее определенном временном окне в периоде испускания нейтронов генератором нейтронов сигнал, характеризующий сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнал, характеризующий сигнал счета нейтронов, и

- схему вычисления скорости счета камеры деления, нормализованной по сигналу подсчета нейтронов, на основании сигнала, характеризующего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, характеризующего сигнал подсчета нейтронов.

Согласно дополнительным признакам изобретения:

- измерительный блок содержит конструкцию, в которой выполнена цилиндрическая полость, выходящая через отверстие на стенку конструкции,

- первый цилиндрический кожух установлен на стенке цилиндрической полости, при этом первый цилиндрический кожух содержит камеру деления, соединитель и первую часть измерительного кабеля,

- второй цилиндрический кожух охватывает с зазором первый цилиндрический кожух, при этом первый и второй цилиндрические кожухи содержат, каждый, первый конец, закрепленный в конструкции при помощи первого кольца, установленного со стороны, где полость выходит на стенку конструкции, и второй конец, закрепленный в конструкции при помощи второго кольца,

- третий цилиндрический кожух, расположенный снаружи конструкции, по существу выравнен в линию с первым цилиндрическим кожухом, при этом третий цилиндрический кожух содержит вторую часть измерительного кабеля, которая продолжает первую часть, и центровочное кольцо, которое удерживает кабель во втором кожухе.

Согласно другим дополнительным признакам изобретения устройство содержит:

- лист материала, который покрывает первый цилиндрический кожух, и

- полую цилиндрическую конструкцию, установленную между листом материала и вторым цилиндрическим кожухом.

Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения лист материала является листом кадмия.

Согласно другому дополнительному признаку изобретения материалом, из которого выполняют полую цилиндрическую конструкцию, установленную на лист материала, является боролен.

Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения первый цилиндрический кожух и второй цилиндрический кожух разделены пространством, заполненным воздухом.

Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения конструкцию, в которой выполнена полость, выполняют из графита.

Согласно другому дополнительному признаку изобретения генератор нейтронов интегрирован в конструкцию измерительного блока.

Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения счетчик нейтронов интегрирован в конструкцию измерительного блока.

Объектом настоящего изобретения является также устройство калибровки, предназначенное для измерения эффективной массы делящегося вещества, содержащегося по меньшей мере в одной камере деления. Устройство калибровки содержит устройство измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением и схему вычисления эффективной массы делящегося вещества на основании сигнала скорости счета, выдаваемого схемой вычисления скорости счета.

Объектом настоящего изобретения является также способ измерения скорости счета по меньшей мере одной камеры деления, которая содержит делящееся вещество.

Способ включает:

- эмиссию нейтронов в виде периодических импульсов в направлении камеры деления, таким образом, чтобы камера деления выдавала сигнал, получаемый в результате взаимодействия нейтронов с делящимся веществом,

- подсчет испускаемых нейтронов для формирования сигнала подсчета,

- обработку сигнала, выдаваемого камерой деления, и сигнала подсчета в заранее определенном временном окне в периоде эмиссии испускаемых нейтронов, для выдачи сигнала, характеризующего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, характеризующего сигнал счета, и

- вычисление скорости счета камеры деления, нормализованной по сигналу подсчета, на основании сигнала, характеризующего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, характеризующего сигнал подсчета.

Устройство измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением содержит генератор нейтронов, работающий в импульсном режиме.

Предпочтительно устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет:

- получать калибровочные величины с точностью, эквивалентной точности, получаемой в реакторе, и

- производить калибровки для разных видов спектра нейтронов.

Предпочтительно, материалы и размеры различных элементов измерительного блока, в котором установлена камера деления, можно определять при помощи метода проектирования, совместимого, по выбору конструктора, с быстрым спектром или с тепловым спектром нейтронов запроса камеры деления.

Спектр быстрых нейтронов характеризуется тем, что 99,9% нейтронов имеют энергию более 1 МэВ.

Спектр тепловых нейтронов характеризуется тем, что 99,9% нейтронов имеют энергию менее 0,625 эВ.

По каждому спектру нейтронов устройства адаптируют, например, для камер деления диаметром 1,5 мм, 4 мм или 8 мм.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - принципиальная схема измерительного блока, входящего в состав устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - частичный вид в разрезе первого примера конструкции, которая входит в состав устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - частичный вид в разрезе второго примера конструкции, которая входит в состав устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - принципиальная схема устройства измерения скорости счета камеры деления в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 - принципиальная схема калибровочного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.6 - в случае спектра быстрых нейтронов: пример кривой скорости счета, полученной при помощи устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением, в зависимости от положения, занимаемого камерой деления в устройстве измерения.

Фиг.7 - в случае спектра тепловых нейтронов: пример кривой скорости счета, полученной при помощи устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением, в зависимости от положения, занимаемого камерой деления в устройстве измерения.

Фиг.8 - пример спектра, полученного при помощи устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением, без коррекции шума.

Фиг.9 - в конфигурации быстрых нейтронов: пример кривой скорости счета в зависимости от времени, полученной при помощи устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.10 - в конфигурации тепловых нейтронов: первый пример кривой скорости счета в зависимости от времени, полученной при помощи устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.11 - в конфигурации тепловых нейтронов: второй пример кривой скорости счета в зависимости от времени, полученной при помощи устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.12 - пример полученной скорости счета в конфигурации тепловых нейтронов или в конфигурации быстрых нейтронов на уровне счетчика нейтронов, который входит в состав устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Варианты осуществления изобретения

На фиг.1 показан измерительный блок, который входит в состав устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением. Измерительный блок 1 содержит герметичную камеру 2, содержащую материал 3, в котором выполнена полость 4, и счетчик К нейтронов. Материал герметичной камеры 2 является, например, полиэтиленом, а материал 3 является, например, графитом. Продольная полость 5 выполнена внутри материала 3 с возможностью размещения в ней камеры деления. В материале 3 вблизи полости 5 установлен генератор 6 нейтронов. Цилиндрическая полость 5 выходит в полость 4 через отверстие О. В варианте выполнения, показанном на фиг.1, счетчик К нейтронов установлен рядом с герметичной камерой 2. Изобретение можно применять также для случая, когда счетчик нейтронов установлен внутри герметичной камеры 2.

На фиг.2 показан частичный вид в разрезе первого примера конструкции, входящей в состав устройства измерения скорости счета в соответствии с настоящим изобретением.

Конструкция, показанная на фиг.2, предназначена для получения спектра быстрых нейтронов. Полость 5 содержит коаксиальные цилиндрические кожухи 8, 9, при этом кожух 8 охватывает кожух 9. Кожухи 8 и 9 выполнены, например, из нержавеющего металла и имеют толщину 1 мм. Лист материала 13, например, кадмиевый лист толщиной 1 мм закрывает наружную сторону цилиндра 9. Листовой материал 13 предназначен для захвата тепловых нейтронов, то есть нейтронов, энергия которых меньше 0,625 эВ. В пространстве, разделяющем листовой материал 13 и кожух 8, помещают блок материала 10. Материал 10, например боролен (то есть бор и полиэтилен), имеет толщину, равную, например, 16 мм. Два центровочных кольца 15 и 16 удерживают и выравнивают цилиндрические кожухи 8 и 9 в полости 5. Упор В закрывает полость со стороны центровочного кольца 16. Камера деления СН находится в цилиндрическом кожухе 9. Первый конец камеры деления соединен с соединительным элементом 12, который собирает электроны, получаемые в результате ионизации газа, содержащегося в камере. Этот первый конец камеры деления находится на расстоянии D от отверстия О, а другой конец камеры находится на расстоянии d от упора В. Соединительный элемент 12 соединен с жестким коаксиальным кабелем 11. В полости 4 установлен цилиндрический кожух 17, например кожух из нержавеющего металла толщиной 1 мм, выровненный в линию с цилиндрическим кожухом 9. Центровочное кольцо 14 удерживает жесткий коаксиальный кабель 11 в цилиндрическом кожухе 17. Соединитель соединяет жесткий коаксиальный кабель 11 с гибким измерительным кабелем 7, который передает сигнал в схему обработки (на фиг.2 не показаны; см. фиг.3).

Предпочтительно система направления и позиционирования, образованная элементами 14, 15 и 16, обеспечивает хорошую воспроизводимость осевого положения камеры СН. Точность, достигаемая для этого положения, может составлять, например, 1 мм и даже меньше.

Материалы и размеры конструкции в соответствии с настоящим изобретением, показанной на фиг.2, предпочтительно определяют при помощи вычислительной программы Monte-Carlo MCNP (MCNP - сокращение от "Monte-Carlo N-Particle") в применении для нейтронов. Именно при помощи этой вычислительной программы определяют вышеупомянутые материалы и размеры. Вместе с тем, для этой конструкции можно выбрать и другие материалы с эквивалентными характеристиками. Выбор других материалов в этом случае предполагает другие размеры для достижения по существу эквивалентных рабочих характеристик. Вышеупомянутые материалы позволяют реализовать калибровочное устройство с «приемлемыми» размерами, то есть устройство, не слишком объемное и не слишком габаритное. Выбор нержавеющего металла для цилиндрических кожухов 8, 9 и 17 позволяет обеспечить отличную жесткость для всего устройства и гарантировать его износоустойчивость. Выбор боролена предопределен стойкостью этого материала к старению, его эффективностью при захвате тепловых нейтронов и его низкой стоимостью.

Устройство 14, 15, 16 центровки камеры деления является специфическим для каждого диаметра рассматриваемой камеры. Центровочные кольца 14, 15, 16 и упор В выполняют, например, из нержавеющего металла. Диаметры центровочных колец и механическую обработку упора В определяют в соответствии с диаметром жесткого коаксиального кабеля 11. Устройство центровки позволяет не только контролировать осевое положение и радиальную центровку камеры в устройстве, но также обеспечивает перемещение скольжением камеры деления в продольном направлении, чтобы оптимизировать положение измерения (поиск положения соответствует максимальной скорости счета). По сути дела в кожухе перемещается скольжением система, образованная камерой деления СН, соединителем 12 и жестким коаксиальным кабелем 11. Центровку этой системы обеспечивает кольцо 14.

В описанной выше конструкции внутрь камеры деления попадают только нейтроны, которые не подверглись замедлению/термализации в графите блока и в боролене. Таким образом, в камеру деления попадают только быстрые нейтроны, испускаемые генератором 6, то есть нейтроны, которые не испытали взаимодействия.

На фиг.3 показан частичный вид в разрезе второго примера конструкции, входящей в состав устройства измерения скорости счета. Показанная на фиг.3 конструкция предназначена для получения теплового нейтронного спектра. Полость 5 содержит все составные элементы, уже описанные с ссылкой на фиг.2, за исключением блока материала 10 и кадмиевого листа 13. В данном случае пространство между кожухами 8 и 9 заполнено воздухом. Как и в предыдущем случае, положение камеры деления можно регулировать в продольном направлении, например, при помощи вышеуказанных средств перемещения скольжением.

Нейтроны, генерируемые генератором 6, могут попадать в камеру деления независимо от своей энергии. Вместе с тем, сначала эти нейтроны проходят через толщу графита, составляющую, например, от 0 см и примерно до 40 см в зависимости от положения, занимаемого камерой деления в кожухе 9, что позволяет дискриминировать их энергию в зависимости от момента их попадания в камеру деления, то есть в зависимости от толщины пересекаемого графита. В качестве не ограничительного примера можно указать, что вычисления, произведенные при помощи программы Monte-Carlo MCNP4C2, показали, что более 99,9% нейтронов, испускаемых генератором нейтронов с частотой испускания 125 Гц, после каждого испускания являются тепловыми нейтронами в диапазоне времени от 700 мкс до 3500 мкс при любом осевом положении камеры в калибровочном устройстве.

На фиг.4 показана принципиальная схема устройства измерения скорости счета камеры деления. Это устройство измерения содержит:

- описанный выше измерительный блок 1, в который интегрированы камера деления СН, генератор 6 нейтронов и счетчик К нейтронов,

- систему обработки ST сигналов от камеры деления СН и счетчика К, которая выдает сигнал, характеризующий сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнал, характеризующий сигнал, выдаваемый счетчиком К, и

- вычислительную схему 34, которая вычисляет скорость счета С камеры деления, нормализованную по отношению к сигналу, выдаваемому счетчиком К, на основании сигналов, выдаваемых системой обработки ST.

Система обработки ST содержит:

- предусилитель 18, который усиливает сигнал, поступающий через измерительный кабель 7 от камеры деления СН,

- усилитель 20, соединенный с предусилителем 18 при помощи многожильного кабеля 10, подающего на камеру деления СН высокое напряжение НТ и низкое напряжение ВТ,

- электронную схему 21, соединенную кабелем 27 с генератором 6 нейтронов,

- схему 32 сбора данных, которая содержит усилитель 22, карту 23 сбора данных и цепь высокого напряжения 24, при этом усилитель 22 получает через кабель 26 сигнал от счетчика К и через электрическое соединение - высокое напряжение от цепи 24, при этом кабель 26 питает высоким напряжением НТ₀ счетчик К, карта 23 сбора данных получает через электрическое соединение 29 сигнал, выдаваемый усилителем 20, и через электрическое соединение 28 - сигнал, выдаваемый электронной схемой 21, при этом усилитель 22 выдает сигнал, характеризующий сигнал, выдаваемый счетчиком К, а карта 23 сбора данных выдает сигнал, характеризующий сигнал, выдаваемый камерой деления.

В качестве не ограничительного примера можно указать, что устройство измерения скорости счета, показанное на фиг.4, содержит только одну камеру деления. В более общем случае устройство измерения скорости счета содержит N камер деления, при этом N является целым числом, большим или равным 1.

На фиг.5 показана принципиальная схема устройства калибровки камеры деления в соответствии с настоящим изобретением. Кроме элементов, упомянутых в связи с фиг.4, устройство калибровки, показанное на фиг.5, содержит вычислительную схему 35, которая вычисляет эффективную массу делящегося вещества, содержащегося в камере деления, на основании нормализованной скорости счета С, выдаваемой вычислительной схемой 34. Далее в описании будет представлен пример способа вычисления, применяемого схемой 34. Вместе с тем, можно предусмотреть и другие способы вычисления. Способ вычисления будет описан для общего случая, когда одновременно производят вычисления для N делящихся масс, содержащихся в N различных камерах деления. Каждая камера деления содержит основной изотоп и примеси.

Матрицу-столбец [m], полученную на основании эффективных масс делящегося вещества, содержащихся в N камерах деления, записывают следующим образом:

,

где

- [С] является матрицей нормализованных значений скорости счета (или числа отсчетов в секунду) для N камер деления,

- [а] является матрицей изотопного анализа N закладок делящегося вещества, нормализованного относительно основных изотопов,

- [σ_mφ] является матрицей-столбцом макроскопических интегральных массовых эффективных сечений деления, нормализованных по отношению к счетчику К (под «массовым эффективным сечением» следует понимать эффективное сечение, относящееся к единице массы, а не к ядру), и где

- символ ".I" является оператором «деления матриц», а символ "x" является оператором «умножения матриц».

Матрицу [С] строят на основании измерений, выдаваемых схемой 34. Коэффициенты матрицы [а] определяют для каждого делящегося вещества каждой камеры деления известным способом при помощи изотопного анализа. Для камеры деления с данными внешними размерами (диаметр, длина) матрица [σ_mφ] является инвариантной для данного положения камеры деления в измерительном блоке и для данной конфигурации калибровки калибровочного устройства (быстрые или тепловые нейтроны и интервал времени, связанный с природой спектра). В этом случае матрицу [σ_mφ] можно определить при помощи специальной матрицы [σ_mφ]₀, которая при вышеупомянутых условиях инвариантности соответствует закладкам делящегося вещества с известной эффективной массой. При этом получают:

,

где коэффициенты матриц [а]₀ ^-1 и [m]₀ ^-1 известны, а коэффициенты матрицы [С]₀ являются скоростями счета, измеренными для закладок делящегося вещества с известной эффективной массой.

При этом матрицу [m] записывают следующим образом:

Кроме матрицы [m] вычислительная схема 35 вычисляет также матрицу var(m) дисперсии, где var(m) обозначает дисперсию эффективной массы m. Более подробно уравнение матрицы дисперсии представлено ниже. Вышеупомянутое уравнение (2) можно произвольно записать следующим образом:

[x_ij]=[A_ij]×[B_ij]×[C_ij],

где i является индексом ранга строк матрицы, a j является индексом ранга столбцов матрицы.

При предположении независимости членов A_ij, B_ij и C_ij, то есть независимости погрешностей для [С], [σ_mφ] и [а], формула для вычисления погрешности имеет следующий вид:

В этом случае дисперсии матриц [σ_mφ]₀ и [m] соответственно записывают следующим образом:

и

В вышеуказанных формулах [Z_ij ²] обозначает матрицу, образованную членами z_ij в степени 2, где z_ij является коэффициентом в строке ранга i и в столбце ранга j матрицы [Z].

Как правило, камера деления основного изотопа i содержит примеси. На практике примеси U-234 и U-236 часто присутствуют в ничтожном количестве в урановых камерах U-233, U-235 или U-238 и не создают проблем. Например, в случае камер Pu-238 примесью U-234 является продукт радиационного распада Pu-238 с периодом полураспада 87,7 лет. Если камера Pu-238 является достаточно современной, количеством U-234 можно пренебречь.

В случае, когда примесями пренебрегать невозможно, способ в соответствии с настоящим изобретением учитывает их влияние. В этом случае вычисляемыми коэффициентами матрицы [m] будут эквивалентные эффективные массы, которые, кроме эффективных масс основных изотопов, учитывают эффективные массы примесей, присутствующих в камере деления. В качестве не ограничительного примера ниже приводится выражение эквивалентной эффективной массы основного изотопа Pu-238, который содержит примеси U-234.

Эквивалентное число N_eq ядер изотопа Pu-238, содержащихся в камере деления, вычисляют при помощи следующего уравнения:

где:

- N₄ является числом ядер U-234, содержащихся в камере, определенным при помощи анализа,

- N₈ является числом ядер Pu-238, содержащихся в камере, определенным при помощи анализа,

- σ_4,c является микроскопическим эффективным сечением деления примеси U-234, вычисленным, например, при помощи программы MCNP4C2 в условиях измерения (интервал времени отсчета и рассматриваемый спектр быстрых или тепловых нейтронов),

- σ_8,c является микроскопическим эффективным сечением деления примеси Pu-238, вычисленным, например, при помощи программы MCNP4C2 в условиях измерения (интервал времени отсчета и быстрый или тепловой характер рассматриваемого спектра нейтронов).

В этом случае эквивалентную эффективную массу m_eq Pu-238, которую учитывают в качестве коэффициента матрицы [m], получают при помощи следующей формулы:

где

- m₄ является эффективной массой U-234 в камере,

- 238 является массовым числом Pu-238,

- 234 является массовым числом U-234,

- σ_m4c является массовым микроскопическим эффективным сечением деления U-234, вычисленным, например, при помощи программы MCNP4C2 в условиях измерения (интервал времени отсчета и быстрый или тепловой характер рассматриваемого спектра нейтронов),

- σ_m8c является массовым микроскопическим эффективным сечением деления Pu-238, вычисленным, например, при помощи программы MCNP4C2 в условиях измерения (интервал времени отсчета и быстрый или тепловой характер рассматриваемого спектра нейтронов),

- m₈ является эффективной массой Pu-238 в камере.

Далее следует описание измерения скорости счета камеры деления при помощи устройства, показанного на фиг.4.

Определение скорости счета содержит следующие основные этапы:

- установление условий измерения, специфических для быстрого или теплового характера спектра нейтронов;

- применение методологии измерения.

Установление условий измерения включает:

- определение оптимального продольного положения камеры деления в соответствии со скоростью счета камеры, при этом выбранное оптимальное положение соответствует максимальной скорости счета и, следовательно, минимальной продолжительности подсчета при данной статистической погрешности подсчета,

- регулирование временного интервала сбора данных и числа повторов в соответствии с характеристиками и особенностями генератора нейтронов,

- регулирование продолжительности сбора данных относительно заданной статистической погрешности в 1% по скоростям счета.

Применяемая методология измерения включает следующие этапы:

- регулирование в режиме РНА (РНА - сокращение от "Pulse Height Analysis" - анализ амплитуды импульса) порога дискриминации фонового шума в сигнале измерения камеры деления,

- соотнесение порога дискриминации с искомой калибровочной величиной (эффективная масса),

- преобразование регулировки в режиме РНА на сбор данных в режиме MCS (MCS - сокращение от "Multi-Channel Sealer" - многоканальный пересчет) динамического сигнала камер деления во время работы генератора нейтронов, и

- мониторинг полученных измерений с целью избавления от флуктуации в работе генератора нейтронов от одного измерения к другому.

Далее следует более подробно описание вышеупомянутых пунктов.

Определение оптимального положения камеры деления

Предпочтительно на первом этапе следует определить оптимальное положение камеры деления в измерительном блоке, чтобы максимально сократить продолжительность измерений, необходимую для получения статистической погрешности в 1% на полученных измерениях скорости счета. Этот этап не является обязательным, но его рекомендуют, чтобы получить выигрыш во времени и максимально уменьшить износ генератора нейтронов.

На фиг.6 для случая спектра быстрых нейтронов показан пример кривой для измеренной нормализованной плотности делений С в зависимости от положения, которое занимает камера деления в измерительном блоке (расстояние D камеры относительно отверстия О). В представленном примере камера деления содержит примерно 100 мкг урана-235, и расстояние D, отделяющее камеру от отверстия О, меняется от 5 см до 40 см. Например, продолжительность каждого измерения составляет 800 с, что позволяет получить скорость счета, составляющую от 2000 отсчетов до 3500 отсчетов за интервал от 30 мкс до 230 мкс. Действительно, с учетом задержки тепловых нейтронов в боролене ни один нейтрон не поступает в камеру деления вне этого диапазона времени. Выбранное положение соответствует максимальной скорости счета. В примере, показанном на фиг.6, полученное оптимальное положение находится на расстоянии 23 см от отверстия О полости 5. Это положение выбирают для всех измерений калибровки в конфигурации быстрых нейтронов.

На фиг.7 показан пример кривой для измеренной нормализованной плотности делений С в зависимости от положения, которое занимает камера деления в измерительном блоке, для случая спектра тепловых нейтронов. В представленном примере камера деления содержит примерно 100 мкг урана-235, и расстояние D, отделяющее камеру от отверстия О, меняется от 0 до 40 см. Например, продолжительность каждого измерения составляет 560 с. Эта продолжительность позволяет получить скорости счета, составляющие от 10000 отсчетов до 30000 отсчетов за интервал, составляющий от 700 до 3500 мкс. Этот интервал времени соответствует интервалу, в котором плотность тепловых нейтронов с энергией менее 0,625 эВ превышает 99,9%. В данном случае максимальная скорость счета наблюдается в положении 5 см. Это положение выбирают для всех измерений калибровки в конфигурации тепловых нейтронов.

Во всех устройствах точность, связанная с позиционированием делящейся закладки в камере деления, составляет примерно 3 мм, включая погрешность позиционирования камеры деления в устройстве и погрешность позиционирования закладки в камере деления. Эти неточности приводят к погрешности порядка 0,1% для скорости счета камеры деления, что является значением, которым практически можно пренебречь.

Диапазон измерений - Число повторов - Продолжительность измерений

Параметрами работы и измерения являются следующие:

- частота работы генератора нейтронов, например, равна 125 Гц, что соответствует продолжительности между двумя импульсами генератора нейтронов, равной 8000 мкс;

- число повторов, то есть число импульсов генератора нейтронов, которое необходимо адаптировать к искомому минимальному интегральному значению счетов, например, 1000 отсчетов в данном диапазоне времени, то есть при вышеупомянутой частоте 125 Гц: в диапазоне 30 мкс - 230 мкс в устройствах с быстрыми нейтронами и в диапазоне 700 мкс - 3500 мкс в устройствах с тепловыми нейтронами;

- продолжительность измерения, которая равна числу повторов, умноженному на продолжительность между двумя импульсами генератора нейтронов (продолжительность измерения меняется в зависимости от характера и от закладок, содержащихся в камере деления, и обычно равна десяти минутам для устройства с тепловыми нейтронами и одному часу для устройства с быстрыми нейтронами, когда камера деления содержит примерно 100 мкг актинида).

Далее следует описание методологии измерения.

Регулировка в режиме РНА порога дискриминации фонового шума - Соотнесение этого порога дискриминации с искомой калибровочной величиной

Согласно усовершенствованному варианту изобретения в сигнале, выдаваемом камерой деления, не учитывают электронный фоновой шум или шум, связанный с частицами или с излучениями, отличными от нейтронов. На фиг.8 в качестве иллюстрации показан пример спектра S камеры деления, в котором появляются шумовые полосы. Эти шумовые полосы присутствуют в первых каналах сигнала.

Согласно принятой стратегии, для устранения этих шумов устанавливают порог дискриминации, позволяющий исключить фоновой шум, содержащийся в первых каналах сигнала и, следовательно, использовать только полезную часть сигнала, соответствующую нейтронным реакциям.

Согласно применяемому методу прием сигнала камеры деления производят в режиме РНА (связывающем число отсчетов с амплитудой сигнала), затем связывают порог дискриминации с формой сигнала, которая характерна для камеры деления, поскольку эта форма связана с энергией, оставляемой продуктами деления в камере. Интеграл счета связан с порогом дискриминации. В этом случае значение калибровочной величины (то есть значение эффективной массы делящейся закладки в камере деления) связывают с этим интегралом счета. Например, метод содержит следующие этапы:

- выявление канала C_max, соответствующего максимальной скорости счета спектра,

- вычисление среднего значения отсчетов, например, на десяти каналах, расположенных с двух сторон от канала C_max, и это среднее значение обозначают V_moy,

- выявление в спектре канала, соответствующего значению V_moy/2,

- линейная регрессия вокруг зоны, находящейся между пятью точками, предшествующими V_moy/2, и пятью точками, следующими за V_moy/2,

- определение уравнения прямой, полученной с учетом линейной регрессии,

- при помощи уравнения полученной прямой - определение канала R, соответствующего V_moy/2, и выбор степени точности, например, в два знака после запятой (как оказалось, канал R зависит только от формы выдаваемого спектра и не меняется в зависимости от природы нейтронного спектра),

- вычисление для каналов их значения, соответствующего доле канала R (например, 0,4 R, 0,5 R и 0,6 R), сохраняя то же число знаков после запятой для точности,

- идентификация порога дискриминации как доли канала R, наиболее соответствующей каналу «впадина на кривой» Cv (например, 0,5 R (см. фиг.8)),

- вычисление интеграла счета, находящегося между порогом дискриминации и каналом конца счета C_f (см. фиг.8). Канал C_f отличается тем, что все каналы больше C_f соответствуют нулевой скорости счета.

Разумеется, следует максимально использовать полезную часть сигнала, то есть выбрать порог интеграции максимально близко к каналу «впадина на кривой» Cv (см. фиг.8).

Этот метод определения порога дискриминации не является единственным и можно применять также другие методы. Вместе с тем, этот метод позволяет заранее отказаться от любого изменения условий измерения (коэффициент усиления усилителя, константа формирования сигнала, энергия бомбардирующих нейтронов и т.д.). В ходе экспериментов он добавляет в среднем погрешность в 0,5% на измеренных скоростях счета.

Транспонирование регулировки в режиме РНА на сбор данных в режиме MCS динамического сигнала

Как было указано выше, получение калибровочных величин предполагает рассмотрение сигнала камер деления только в определенном диапазоне времени между двумя эмиссиями генератора нейтронов, чтобы соблюдать требования чистоты нейтронного спектра.

Таким образом, чтобы отслеживать сигнал в течение времени, необходимо производить прием сигналов камер деления в режиме MCS (шкала счета, отражающая число событий в зависимости от времени).

Следовательно, необходимо регулировать нижний порог дискриминатора таким образом, чтобы он идеально соответствовал выбранному порогу интеграции (см. предыдущий раздел).

Для этого достаточно умножить порог интеграции, предварительно определенный в режиме РНА для каждой камеры, на величину G, такую как:

для получения значения регулировки порога дискриминатора в вольтах. В качестве не ограничительного и известного примера можно указать, что число каналов для анализа измерений равно 1024 и диапазон в вольтах дискриминатора равен 10.

Поскольку определение нижнего порога дискриминации является точным, то соответствующую погрешность можно считать нулевой.

Мониторинг измерений

Чтобы избежать учета флуктуаций в работе генератора нейтронов (выходящий нейтронный поток или износ генератора), необходимо отслеживать эмиссию нейтронов генератором нейтронов для того, чтобы нормализовать все производимые измерения по идентичной работе генератора нейтронов. Именно для этого калибровочное устройство содержит счетчик К нейтронов. Счетчик К можно установить внутри или снаружи измерительного блока. В качестве не ограничительного примера счетчик показан на фиг.1 снаружи измерительного блока. Мониторинг можно осуществлять при помощи любого детектора нейтронов. Например, счетчик К является счетчиком ³He, установленным вблизи, например, в нескольких десятках сантиметров от измерительного блока.

В ходе всей процедуры измерения скорости счета и, соответственно, процедуры калибровки предпочтительно не перемещать счетчик К относительно камеры деления и относительно генератора нейтронов.

Принцип мониторинга основан на систематической и синхронной регистрации значений отсчета счетчика К и отсчета камеры деления. Все измерения, получаемые из камеры деления, впоследствии нормализуют по средней скорости счета счетчика К (схема 34).

Предположив, что сигнал, выдаваемый счетчиком К, является стабильным во времени, можно считать, что единственными погрешностями, которые следует учитывать, являются статистические погрешности скорости счета камеры.

Удостоверение качества калибровочного устройства в соответствии с настоящим изобретением

Далее следует описание подтверждения качества устройства измерения скорости счета на основе результатов измерения, показанных на фиг.9-12. Пример скорости счета C_CH в зависимости от времени, выдаваемой камерой деления урана-235 устройства с быстрыми нейтронами, представлен на фиг.9. Отмечается, что сигнал в целом соответствует испускаемому импульсу генератора нейтронов в интервале времени 30-230 мкс. Сигнал пропадает после 230 мкс, что подтверждает задержку термализованных нейтронов в окружающем графите.

Для устройств с тепловыми нейтронами два примера измерения скорости счета С_СН, полученные с камерами деления нептуния-237 и урана-235, представлены соответственно на фиг.10 и 11.

Для камеры деления нептуния-237 отмечается, что на первом этапе сигнал соответствует испускаемому импульсу генератора нейтронов в интервале времени 30-230 мкс, затем исчезает, следовательно, после испускания импульса генератором нейтронов в устройствах для измерения тепловых нейтронов больше не наблюдают никаких нейтронов (в частности, во временном диапазоне 700-3500 мкс, выбранном при исследовании), поскольку в тепловой области нептуний-237 имеет нулевое эффективное сечение деления. Кроме того, отмечается, что сигнал камеры деления урана-235 (изотоп, делящийся под действием тепловых нейтронов) на первом этапе соответствует испускаемому импульсу генератора нейтронов в интервале времени 30-230 мкс, затем продолжается без затухания в течение прохода нейтронов к детектору через графит измерительного блока.

Вышеуказанные элементы подтверждают концепцию калибровочного блока при помощи вычислений программой Monte Carlo MCNP4C2, как было указано выше, по которым произвели анализ всех измерений в интервале времени 700-3500 мкс, соответствующем запросу камеры деления для тепловых нейтронов с энергией менее 0,625 эВ в более чем в 99,9% случаев.

В качестве иллюстрации на фиг.12 показана скорость счета C_K, установленная при помощи счетчика Helium 3, используемого в качестве монитора для всех измерений. В счетчик, установленный сзади измерительного блока, сначала попадают быстрые нейтроны, испускаемые во время импульса генератора, затем, после задержки, нейтроны, более или менее термализованные в графите и полиэтилене измерительного блока.

Например, были получены интегралы счета, превышающие или равные 10000 отсчетов (соответствующие статистической погрешности 1%), примерно в течение одного часа в устройстве с быстрыми нейтронами и примерно в течение десяти минут в устройстве с тепловыми нейтронами в камере деления, содержащей примерно 100 мкг делящегося вещества, в импульсном режиме с частотой 125 Гц и с эмиссией нейтронов 3·10⁹ н.с^-1. Эти данные тоже подтверждают концепцию устройств.

Изобретение относится к устройству измерения скорости счета камеры деления и устройству калибровки соответствующей камеры деления. Сущность изобретения заключается в том, что устройство измерения скорости счета содержит измерительный блок (1), который содержит камеру деления (СН); генератор (6) нейтронов, испускающий нейтроны в виде периодических импульсов в направлении камеры деления; счетчик (К) нейтронов для детектирования и подсчета нейтронов, испускаемых генератором (6) нейтронов; и схему (34) вычисления, при этом обрабатывают сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнал подсчета в заранее определенном временном окне в периоде эмиссии нейтронов, для выдачи сигнала, представляющего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, представляющего сигнал подсчета, и на основании сигнала, представляющего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, представляющего сигнал подсчета, вычисляют скорость счета камеры деления, нормализованную по сигналу подсчета. Технический результат - повышение точности определения эффективной массы делящегося изотопа. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство измерения скорости счета по меньшей мере одной камеры деления (СН), содержащей делящееся вещество, характеризующееся тем, что содержит:
измерительный блок (1), содержащий камеру деления (СH),
генератор (6) нейтронов, испускающий нейтроны в виде периодических импульсов в направлении камеры деления,
измерительный кабель (11) для поступающего через соединитель (12) сигнала, выдаваемого камерой деления в результате взаимодействия нейтронов с делящимся веществом,
счетчик (К) нейтронов для генерирования сигнала подсчета нейтронов, испускаемых генератором (6) нейтронов,
систему (ST) обработки, выполненную с возможностью формирования в заданном временном окне в периоде испускания нейтронов генератором нейтронов сигнала, представляющего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, представляющего сигнал подсчета нейтронов, и
схему (34) вычисления скорости (С) счета камеры деления, нормализованной по сигналу подсчета нейтронов, на основании сигнала, представляющего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, представляющего сигнал подсчета нейтронов.

2. Устройство по п.1, в котором:
измерительный блок (1) содержит структуру (3) с цилиндрической полостью (5), выходящей через отверстие (О) на стенку структуры,
при этом на стенке цилиндрической полости (5) установлен первый цилиндрический кожух (9), причем первый цилиндрический кожух содержит камеру деления (СН), указанный соединитель (12) и первую часть измерительного кабеля (11),
первый цилиндрический кожух (9) охвачен с зазором вторым цилиндрическим кожухом (8), при этом первый и второй цилиндрические кожухи содержат первый конец, закрепленный в структуре с помощью первого кольца (15), установленного со стороны, где полость выходит на стенку структуры, и второй конец, закрепленный в структуре с помощью второго кольца (16),
снаружи структуры, по существу, в линию с первым цилиндрическим кожухом (9) расположен третий цилиндрический кожух (17), при этом третий цилиндрический кожух (17) содержит вторую часть измерительного кабеля, продолжающего первую часть, и центровочное кольцо (14), удерживающее кабель во втором кожухе (17).

3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что дополнительно содержит:
лист материала (13), покрывающий первый цилиндрический кожух (9), и
полую цилиндрическую структуру (10), размещенную между листом материала (13) и вторым цилиндрическим кожухом (8).

4. Устройство по п.3, в котором лист материала (13) является листом кадмия.

5. Устройство по п.3, в котором полая цилиндрическая структура (10), размещенная на листе материала, выполнена из материала боролен.

6. Устройство по п.2, в котором первый цилиндрический кожух (9) и второй цилиндрический кожух (8) разделены пространством, заполненным воздухом.

7. Устройство по п.2, в котором структура (3) с полостью (5) выполнена из графита.

8. Устройство по п.2, в котором генератор (6) нейтронов интегрирован в структуру (3) измерительного блока.

9. Устройство по п.2, в котором счетчик (К) нейтронов интегрирован в структуру (3) измерительного блока.

10. Устройство калибровки для измерения эффективной массы делящегося вещества, содержащегося по меньшей мере в одной камере деления, характеризующееся тем, что содержит устройство измерения скорости счета по любому из пп.1-9 и схему (35) вычисления эффективной массы (m) делящегося вещества на основании скорости счета (с), выдаваемого схемой (34) вычисления скорости счета.

11. Способ измерения скорости счета по меньшей мере одной камеры деления (СН), содержащей делящееся вещество, характеризующийся тем, что:
осуществляют эмиссию нейтронов в виде периодических импульсов в направлении камеры деления так, чтобы камера деления выдавала сигнал, получаемый в результате взаимодействия нейтронов с делящимся веществом,
подсчитывают испускаемые нейтроны для формирования сигнала подсчета,
обрабатывают сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнал подсчета в заранее определенном временном окне в периоде эмиссии нейтронов для выдачи сигнала, представляющего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, представляющего сигнал подсчета, и
на основании сигнала, представляющего сигнал, выдаваемый камерой деления, и сигнала, представляющего сигнал подсчета, вычисляют скорость счета камеры деления, нормализованную по сигналу подсчета.