СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ В ПРИСУТСТВИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области измерении плотности потока нейтронов с помощью различных типов детекторов, в частности пропорциональных и коронных счетчиков медленных нейтронов, импульсных камер деления. Оно может быть использовано в отраслях промышленности, связанных с делящимися материалами, для определения параметров, производных от плотности потока нейтронов, и обеспечения ядерной безопасности.

На предприятии по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) приборы нейтронного контроля применяются для определения концентрации и массы плутония, накопления и распределения плутония в оборудовании, выгорания ОЯТ, уровня растворов и твердых компонентов в специальных аппаратах, где нельзя применить другие методы измерения уровня, а также в нейтронной абсорбциометрии и нейтронных методах контроля с использованием внешних источников излучений. В большинстве точек контроля потокам нейтронов сопутствует гамма-излучение (ГИ). При этом отношение числа гамма-квантов к числу нейтронов находится в пределах от 10⁴ до 10¹².

Известно, что присутствие ГИ чрезвычайно затрудняет регистрацию нейтронов и зачастую является определяющим фактором, не позволяющим реализовать саму эту возможность. Причинами такого влияния являются:

- образование ложных импульсов большой амплитуды, сравнимых с импульсами от нейтронов, за счет многократных гамма-гамма наложений, что требует повышения порога дискриминации для их отсечки;

- падение коэффициента газового усиления счетчиков.

И то и другое приводит к снижению скорости счета нейтронов.

Поэтому применяют различные способы защиты от ГИ или снижения его отрицательного влияния. Самым эффективным и наиболее близким к заявляемому является способ [RU 2351953 C1, 10.04.2009, Бюл. №10], взятый за прототип.

В известном способе дополнительно измеряется постоянный ток I_γ, возникающий в детекторе нейтронов под действием ГИ. Затем по найденным при предварительной градуировке зависимостям тока I_γ от мощности дозы (МД) ГИ, т.е. I_γ=f(МД ГИ), порога дискриминации от тока I_γ, т.е. U_Драб=f(I_γ), степени деформации интегрального спектра импульсов от тока I_γ, т.е. ΔN=(N_nγ-N_n0)=f(I_γ), где N_nγ и N_n0 - соответственно значения скорости счета нейтронов при наличии и отсутствии ГИ, и измеренные значения тока I_γ используются для определения МД ГИ, определения и установки такого порога рабочей дискриминации, который обеспечивает максимальную эффективность детектора в текущем цикле измерений (при данной МД ГИ), а затем для приведения ее к максимально возможной, имеющей место в отсутствие ГИ.

В этом способе предложена тактовая процедура измерений, которая заключается в следующем. В 1-м такте устанавливается максимально высокое напряжение питания детектора U_выс1, при котором еще отсутствует ток I_γ, и подстраивается нуль схемы измерения тока I_γ. Во 2-м такте устанавливается напряжение питания детектора U_выс2>U_выс1, при котором измеряется ток I_γ, по нему определяется МД ГИ и устанавливается порог рабочей дискриминации U_Драб. В 3-м такте устанавливается напряжение питания детектора U_выс3>U_выс2, при котором регистрируется нейтронное излучение, измеряется скорость счета нейтронов N_nγ, которая затем приводится к значению N_n0, единственно соответствующему плотности потока нейтронов в объекте контроля. Этот способ позволил, в частности, использовать для определения плотности потока нейтронов самые эффективные, но вместе с тем наиболее подверженные отрицательному воздействию ГИ, Не³-счетчики, при МД ГИ, более чем на порядок превышающие значения, установленные для них техническими условиями.

Недостатками известного способа являются:

- нестабильная работа каналов детектирования (нейтронного и частично токового);

- длительные перерывы в контроле на время извлечения детектора из объекта измерения для проверки с применением контрольных радиоактивных источников и последующего восстановления исходных метрологических характеристик каналов детектирования.

Предлагаемое изобретение направлено вообще на отказ от контроля за стабильностью работы каналов детектирования нейтронов как в отсутствие, так и при наличии ГИ, с сохранением их исходных метрологических характеристик.

Техническими результатами изобретения являются:

- исключение влияния нестабильности работы каналов детектирования нейтронов на результаты измерений с обеспечением максимально возможной эффективности детекторов при любых значениях МД ГИ (в пределах их работоспособности);

- повышение производительности труда эксплуатационного персонала за счет отказа от контроля за стабильностью каналов детектирования нейтронов;

- исключение перерывов в текущих измерениях.

Способ регистрации нейтронов в присутствии гамма-излучения с тактовой процедурой измерений заключается в использовании экспоненциального характера зависимости скорости счета импульсов на нерабочей ветви интегрального спектра импульсов от уровня дискриминации [Ю.М. Толченов, В.Г. Чайковский, ПТЭ, 1963, №6, с.6, рис.2] для выбора и фиксации рабочего порога дискриминации при регистрации скорости счета нейтронов.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. После установки напряжения питания U_выс3, при котором регистрируются нейтроны, на нерабочей ветви интегрального спектра импульсов в логарифмическом масштабе, где зависимость скорости счета импульсов от уровня дискриминации, ln N_Ш=f(U_Д), линейна, выбираются два значения скорости счета: 1-е (N_Ш1) - максимально высокое, но в пределах разрешающей способности усилительного тракта, т.к. вне этих пределов нарушается линейность указанной зависимости, 2-е (N_Ш2) - низкое с соблюдением условия N_Ш2≥10·N_n, где N_n - ожидаемая скорость счета нейтронов. Прямая, соединяющая эти точки, экстраполируется на ось дискриминаций, имеющую линейный масштаб. Точка пересечения на оси дискриминаций в области N_Ш≤(10^-1-10^-2)·N_n принимается в качестве порога рабочей дискриминации U_Драб, при котором можно пренебречь вкладом шумовых импульсов в измеряемую после установки U_Драб скорость счета нейтронов N_n. Все процедуры выполняются автоматически в каждом измерительном цикле по программе, занесенной в контроллер канала детектирования.

Предлагаемый способ выбора U_Драб позволяет всегда работать при максимально возможной эффективности канала детектирования и обеспечивать достоверность измерений скорости счета нейтронов независимо от стабильности его параметров (таких, как коэффициент усиления тракта или диапазон дискриминатора).

Пример.

На фиг.1 приведены интегральные спектры импульсов, полученные авторами с одним и тем же источником нейтронов, но при разных значениях коэффициента усиления измерительного тракта, в таблице 1 - результаты измерений скорости счета нейтронов (N_n) с использованием предлагаемого способа выбора уровня дискриминации, где N_ncp - среднее арифметическое результатов измерений, ΔN_n и δN_n - соответственно абсолютные и относительные отклонения от среднего.

Таблица 1. Результаты измерений скорости счета нейтронов при различных значениях коэффициента усиления измерительного тракта. Коэффициент усиления K₁, отн. ед. Порог дискриминации, U_Драб, В Скорость счета нейтронов, N_n, с^-1 ΔN_n, с^-1 δN_n, % K₁=1 3,50 65,54±1,6 0,47 0,72 K₂=0,42 1,47 64,71±1,6 -0,36 -0,55 K₃=0,294 1,03 65,26±1,6 0,19 0,29 K₄=0,195 0,68 64,78±1,6 -0,29 -0,45 - - N_ncp=65,07±0,2 - -

Из таблицы 1 следует, что результаты измерений, как и отклонения от среднего арифметического, не носят системного характера, т.е. не зависят от коэффициента усиления, несмотря на то, что тот, в конечном итоге, был снижен более чем в пять раз.

Остается потенциальная зависимость от стабильности работы канала измерения тока I_γ конечного результата измерений - скорости счета нейтронов N_n0, полученной приведением скорости счета N_nγ, зарегистрированной при наличии ГИ, к условиям МД ГИ=0 через значения I_γ=f (МД ГИ). Следует отметить, что в прототипе канал измерения тока изначально отличался от канала детектирования нейтронов повышенной надежностью благодаря более простой схеме, состоящей из промышленных функционально законченных современных блоков (дифференциального усилителя ДУ, преобразователей ЦАП и АЦП, ВН - источника высокого напряжения повышенной точности) и наличию автоподстройки нуля дифференциального усилителя (ДУ). Тем не менее, как показано на блок-схеме канала измерения тока I_γ (фиг.2) в предлагаемом способе приняты дополнительные меры по повышению его стабильности. Это контроль воспроизводимости реперного сигнала включаемым герконовым реле после автоподстройки нуля ДУ и возможность автоподстройки выходных напряжений U_выс1 и U_выс2 источника ВН в случаях отклонений от заданных значений соответственно перед автоподстройкой нуля ДУ и измерением тока I_γ.

Таким образом, при определении плотности потока нейтронов в условиях сопутствующего ГИ в предлагаемом способе тактовые процедуры должны быть следующими. В 1-м такте устанавливается максимально высокое напряжение питания детектора U_выс1 (с возможной его автоподстройкой), при котором еще отсутствует ток I_γ, и подстраивается нуль схемы измерения тока I_γ. Во 2-м такте устанавливается напряжение питания детектора U_выс2≥U_выс1 (с возможной его автоподстройкой), измеряется ток I_γ и по заранее полученной градуировочной зависимости I_γ=f (МД ГИ) определяется МД ГИ. В 3-м такте устанавливается напряжение питания детектора U_выс3 для измерения скорости счета нейтронов, по нерабочей ветви интегрального спектра импульсов определяется и устанавливается рабочий порог дискриминации U_Драб, измеряется скорость счета нейтронов N_nγ и по заранее полученной градуировочной зависимости N_n0=f(N_nγ, I_γ) определяются скорость счета нейтронов N_n0, которая должна быть в отсутствие ГИ, и по ней, в соответствии с паспортной чувствительностью детектора, искомая плотность потока нейтронов.

В результате предлагаемый способ выбора рабочего уровня дискриминации каналов детектирования нейтронов и дополнительные меры по повышению стабильности канала измерения тока I_γ позволяют вообще исключить процедуру контроля за стабильностью их работы и ограничится лишь автоматической сигнализацией отказа или ухудшения параметров аппаратуры до степени, ставящей под сомнение саму возможность регистрации нейтронов, например, когда при U_Драб=0 скорость счета импульсов составит N_Ш≤10⁵ с^-1.

Изобретение относится к области измерении плотности потока нейтронов с помощью различных типов детекторов, в частности пропорциональных и коронных счетчиков медленных нейтронов, импульсных камер деления. Способ регистрации нейтронов в присутствии гамма-излучения с тактовой процедурой измерений включает измерение постоянного тока I_γ, возникающего в детекторе нейтронов под действием гамма-излучения, при этом порог рабочей дискриминации U_Драб для регистрации скорости счета нейтронов устанавливается по двум значениям скорости счета собственных шумов детектора на нерабочей ветви интегрального спектра импульсов, когда в логарифмическом масштабе прямая, соединяющая эти значения - 1-го (N_Ш1) - максимально высокого в пределах разрешающей способности усилительного тракта, 2-го (N_Ш2) - низкого, выбранного с соблюдением условия N_Ш2≥10·N_n, где N_n - ожидаемая скорость счета нейтронов, экстраполируется на ось дискриминаций, имеющую линейный масштаб, и точка пересечения на оси дискриминаций в области N_Ш≤(10^-1-10^-2)·N_n принимается в качестве U_Драб, при котором можно пренебречь вкладом шумовых импульсов в измеряемую после установки U_Драб скорость счета нейтронов N_n, а в канал измерения тока I_γ дополнительно вводятся автоподстройка значений высокого напряжения детектора U_выс1 (перед автоподстройкой нуля схемы измерения тока I_γ), U_выс2 (перед измерением тока I_γ) и реперный сигнал с автоконтролем его воспроизводимости. Технический результат - исключение влияния нестабильности работы канала детектирования нейтронов на результаты текущих измерений с обеспечением максимально возможной эффективности детекторов при любых значениях мощности дозы гамма-излучения. 2 ил., 1 табл.

Способ регистрации нейтронов в присутствии гамма-излучения с тактовой процедурой измерений, включающий измерение постоянного тока I_γ, возникающего в детекторе нейтронов под действием гамма-излучения, отличающийся тем, что порог рабочей дискриминации U_Драб для регистрации скорости счета нейтронов устанавливается по двум значениям скорости счета собственных шумов детектора на нерабочей ветви интегрального спектра импульсов, когда в логарифмическом масштабе прямая, соединяющая эти значения - 1-го (N_Ш1) - максимально высокого в пределах разрешающей способности усилительного тракта, 2-го (N_Ш2) - низкого, выбранного с соблюдением условия N_Ш2≥10·N_n, где N_n - ожидаемая скорость счета нейтронов, экстраполируется на ось дискриминаций, имеющую линейный масштаб, и точка пересечения на оси дискриминаций в области N_Ш≤(10^-1-10^-2)·N_n принимается в качестве U_Драб, при котором можно пренебречь вкладом шумовых импульсов в измеряемую после установки U_Драб скорость счета нейтронов N_n, а в канал измерения тока I_γ дополнительно вводятся автоподстройка значений высокого напряжения детектора U_выс1 (перед автоподстройкой нуля схемы измерения тока I_γ), U_выс2 (перед измерением тока I_γ) и реперный сигнал с автоконтролем его воспроизводимости.