СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ Российский патент 2020 года по МПК G01T3/00 

Настоящее изобретение относится к области измерения характеристик излучения ядернофизических установок и может быть преимущественно использовано для измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов, в частности коэффициента анизотропии излучения импульсных источников нейтронов типа «плазменный фокус», Z-пинч.

Кроме того изобретение может найти применение при измерении характеристик излучения источника при отсутствии прямой видимости источника излучения из места размещения детектора.

Результаты многочисленных исследований, в частности [1, 2], указывают на то, что излучение импульсных источников нейтронов, например источника типа «плазменный фокус», обладает четко выраженной пространственной (угловой) анизотропией. В качестве параметра анизотропии выхода нейтронов используется значение коэффициента анизотропии К_а=Y(α)/Y(90°), где функция выхода Y задает число нейтронов за импульс в узком конусе вокруг направления, определяемого углом α. Наиболее широко используется в качестве параметра анизотропии отношение выхода нейтронов (Y) по оси источника (0°) и перпендикулярно оси (90°) К_а=Y(0°)/Y(90°).

Коэффициент анизотропии сильно варьируется для разных установок и режимов их работы, что связывается с одновременным сосуществованием термоядерного и нетеплового (механизм «пучок-мишень») процессов генерации нейтронов. «Поскольку распределение нейтронов в термоядерном процессе является изотропным, тогда как результатом второго механизма должен быть узконаправленный пучок нейтронов, то степень участия каждого процесса и определяет фактор анизотропии, причем не только пространственной, но и энергетической» [2].

Известен способ измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов [1], в котором измерение характеристик нейтронного излучения осуществляют посредством регистрации нейтронов с помощью дифференциального сцинтилляционного детектора.

В отличие от заявляемого изобретения в указанном способе измерение угловой анизотропии нейтронного излучения источника (плазмофокусной камеры) проводится тремя дифференциальными сцинтилляционными детекторами, один из которых установлен перпендикулярно оси плазмофокусной камеры (90°), остальные под другими углами.

Известный способ не позволяет достичь высокой точности измерения К_а, так как в работе используются несколько измерительных каналов, элементы которых обладают значительными индивидуальными погрешностями.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща известному способу измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов, а именно способу измерения коэффициента анизотропии нейтронного излучения, описанному в работе [3].

В известном способе (наиболее близком аналоге) измерение угловых характеристик нейтронного излучения осуществляют посредством регистрации нейтронов по 2-м отличающимся направлениям с помощью дифференциального сцинтилляционного детектора, сигнал которого пропорционален плотности потока выходящих из источника нейтронов.

Величиной, пропорциональной выходу нейтронов Y в импульсе длительностью Δt, является заряд q, регистрируемый измерительным каналом.

Измерительный канал (ИК) дифференциального сцинтилляционного детектора (СД) на основе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) состоит из собственно детектора (сцинтиллятор + ФЭУ), источника питания ФЭУ, линии связи детектора с регистратором, делителя входного сигнала, исключающего перегрузку регистратора, сопротивления нагрузки, регистратора.

В отличие от заявляемого изобретения для измерения величины анизотропии выхода нейтронов из источника используют два детектора, установленных под разными углами к оси источника - плазмофокусной камеры. Измерение отношения выхода нейтронов (Y) по оси камеры (0°) и перпендикулярно оси (90°) K_a=Y(0°)/Y(90°) проводится двумя детекторами, установленными под соответствующими углами.

Известный способ не позволяет достичь высокой точности измерения К_а и при этом сократить число измерительных каналов.

Указанные недостатки обусловлены тем, что в известном способе, принятом за наиболее близкий аналог, используются два измерительных канала, элементы которых обладают значительными индивидуальными погрешностями. Детекторы, как правило, обладают различной чувствительностью и значительными погрешностями градуировки, с ними суммируются погрешности других элементов ИК, что приводит к значительным погрешностям измерений коэффициента анизотропии.

Погрешность измерения заряда, снимаемого с детектора, складывается из погрешности, связанной с погрешностью напряжения питания ФЭУ δ_V=7% [4], погрешностью измерения амплитуды сигнала, определяемую техническими характеристиками регистратора (δ_U=2%), погрешностью делителя входного сигнала (δ_k=2,5%), погрешностью сопротивления нагрузки (δ_R=2%). Суммарная погрешность составляет по каждому измерительному каналу 8%. [4,5].

Погрешность коэффициента анизотропии К_а=Y₀/Y₉₀ - это погрешность отношения результатов измерения выхода Y по двум различным детекторам, установленным под углами 0 и 90 градусов к оси источника. Она определяется квадратичным суммированием погрешностей измерений по каждому направлению и составляет 11,3%.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение точности измерения угловых характеристик импульсного источника нейтронов, в частности коэффициента анизотропии нейтронного излучения К_а.

Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов, в частности коэффициента анизотропии, путем замены абсолютных измерений значения выхода нейтронов в двух направлениях измерением отношения площадей импульсов, зарегистрированных одним и тем же дифференциальным детектором. Другим техническим результатом является сокращение числа измерительных каналов в эксперименте.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что измерение угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов, осуществляют посредством регистрации нейтронов по двум отличающимся направлениям с помощью дифференциального детектора, сигнал которого пропорционален плотности потока выходящих из источника нейтронов, согласно изобретению регистрацию нейтронов с обоих направлений проводят на одном детекторе, при этом по одному из направлений регистрацию нейтронов осуществляют путем упругого рассеяния нейтронов на рассеивателе, а дифференциальный детектор и рассеиватель устанавливают под различающимися углами по отношению к оси источника нейтронов.

Суть предлагаемого способа состоит в регистрации одним дифференциальным детектором выхода нейтронов из источника по двум различающимся направлениям, например 0° и 90°, и определении коэффициента анизотропии выхода нейтронов из источника относительным способом с учетом соответствующих геометрических соотношений и с использованием известного сечения упругого рассеяния нейтронов на веществе рассеивателя.

Величиной, пропорциональной выходу нейтронов Y в импульсе длительностью Δt, является заряд q, регистрируемый измерительным каналом. Значение регистрируемого заряда q равно площади импульса, определяемой как интеграл зависимости тока дифференциального детектора от времени I(t) по интервалу длительности нейтронного импульса Δt.

При определении К_а измеряют отношение площадей импульсов, зарегистрированных одним и тем же дифференциальным сцинтилляционным детектором на одной осциллограмме.

При регистрации предлагаемым способом погрешность измерения К_а складывается из случайной погрешности измерения площадей импульсов на одной осциллограмме (менее 1%), отвечающих нейтронам, пришедшим на дифференциальный сцинтилляционный детектор с двух направлений, и погрешности сечения рассеяния, имеющей небольшое значение <1%. [6]. Погрешность измерения К_а в этом случае не превышает 2%.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.

На Фиг. 1 приведена схема геометрии постановки измерений по предлагаемому способу, где:

1 - дифференциальный детектор;

2 - источник излучения;

3 - рассеиватель;

4 - регистратор;

5 - линия связи;

L - расстояние от источника излучения до дифференциального детектора;

L1 - расстояние от источника излучения до рассеивателя;

L2 - расстояние от рассеивателя до дифференциального детектора.

Измерения проводятся с помощью измерительного канала (ИК), блок-схема которого представлена на Фиг. 2, где:

1 - дифференциальный детектор;

4 - регистратор;

5 - линия связи;

6 - источник питания ФЭУ;

7 - делитель входного сигнала;

8 - сопротивление нагрузки.

Для осуществления способа располагают дифференциальный сцинтилляционный детектор 1 под выбранным углом (90°) к оси источника нейтронов 2, а под другим углом (0°) размещают рассеиватель нейтронов 3 с определенными массогабаритными характеристиками, выполненный из материала с хорошо известным сечением упругого рассеяния нейтронов, например из углерода (графита). Расстояние от источника до детектора (L) и сумма расстояний от источника до рассеивателя (L1) и от рассеивателя до детектора (L2) должны позволять регистрацию разделенных по времени пролета импульсов нейтронов, выходящих под углом 90° к оси источника 2 и прямопрошедших от источника 2 до детектора 1, и нейтронов, рассеянных от рассеивателя 3, установленного под углом 0° к оси источника 2. Выход нейтронов в каждом направлении определяется площадью соответствующего импульса с применением соответствующих геометрических и кинематических соотношений и с использованием известного сечения упругого рассеяния нейтронов на веществе рассеивателя 3.

Измерительный канал (ИК) сцинтилляционного детектора 1 (СД) на основе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) используемый для измерений по прямому направлению под углом 90° к источнику, состоит из собственно детектора 1 (сцинтиллятор + ФЭУ), источника питания ФЭУ 6, линии связи 5, связывающая детектор 1 с регистратором 4, делителя входного сигнала 7, исключающего перегрузку регистратора 4, сопротивления нагрузки 8 и регистратора 4 (обычно цифровой осциллограф).

Вещество рассеивателя выбирают исходя из его ядернофизических характеристик. В области энергии нейтронов, генерируемых источником, нейтроны должны взаимодействовать с веществом рассеивателя преимущественно упругим образом, а указанное сечение упругого взаимодействия должно быть известно с высокой точностью. Для нейтронов с энергией около 2,5 МэВ (ДД-нейтронов) этим требованиям в максимальной степени соответствует углерод (графит).

Предлагаемый способ позволяет сократить число измерительных каналов в эксперименте, а также исключить в окончательном значении коэффициента анизотропии ряд составляющих погрешности измерений, связанных с различной чувствительностью детекторов и погрешностями их градуировки, погрешности элементов ИК, за счет измерения выхода нейтронов одним и тем же детектором и одной и той же измерительной аппаратурой и тем самым уменьшить погрешность измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Time Integrated and Time Resolved Neutron Measurements in a Plasma Focus Device, авторов M. Milanese, R. Moroso, F. Castillo, J. J.E. Herrera, J.I. Golzarri, and G. Espinosa, AIP Conference Proceedings 875, 423 (2006); https://doi.org/10.1063/1.2405979.

2. Дубинов A.E., Сенилов Л.А. Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах,- Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013.

3. КОРРЕЛЯЦИЯ АНИЗОТРОПИИ ВЫХОДА НЕЙТРОНОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ РАЗРЯДА ТИПА "ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС", авторов В.Е. Аблесимов, Ю.Н. Долин, О.В. Пашко, З.С. Цибиков, ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, №4, с. 1-4.

4. РД 95 3470-91 Отраслевая система обеспечения единства измерений. Детекторы гамма-излучения сцинтилляционные токовые. Методы измерения чувствительности.

5. РД 95 3468-91 Отраслевая система обеспечения единства измерений. Детекторы нейтронов сцинтилляционные токовые. Методы измерения чувствительности.

6. ENDF- В8, Файл оцененных ядерных данных МАГАТЭ.

Изобретение относится к области измерения характеристик излучения ядерно-физических установок и может быть преимущественно использовано для измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов дополнительно содержит этапы, на которых регистрацию нейтронов с обоих направлений проводят на одном детекторе, при этом по одному из направлений регистрацию нейтронов осуществляют путем упругого рассеяния нейтронов на рассеивателе, а дифференциальный детектор и рассеиватель устанавливают под различающимися углами по отношению к оси источника нейтронов. Технический результат – уменьшение погрешности измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения угловых характеристик излучения импульсного источника нейтронов, заключающийся в том, что измерение характеристик нейтронного излучения осуществляют посредством регистрации нейтронов по двум отличающимся направлениям с помощью дифференциального детектора, сигнал которого пропорционален плотности потока выходящих из источника нейтронов, отличающийся тем, что регистрацию нейтронов с обоих направлений проводят на одном детекторе, при этом по одному из направлений регистрацию нейтронов осуществляют путем упругого рассеяния нейтронов на рассеивателе, а дифференциальный детектор и рассеиватель устанавливают под различающимися углами по отношению к оси источника нейтронов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дифференциальный детектор по отношению к оси источника нейтронов располагают под углом 90 град, а рассеиватель располагают под углом 0 град, по отношению к оси источника нейтронов.