Способ и устройство поверки нейтронных спектрометров-дозиметров в опорных нейтронных полях с различной формой спектров Российский патент 2022 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при поверке спектрометров-дозиметров нейтронного излучения в опорных нейтронных полях с различной формой энергетических спектров.

В настоящее время для измерения нейтронных потоков и определения их дозовых характеристик (мощности поглощённой или эквивалентной дозы) промышленность выпускает лишь нейтронные радиометры (которые должны определять плотность нейтронных потоков и радиометры-дозиметры, которые должны определять мощность поглощённой или/и эквивалентной дозы. Для их поверки используются поверочные установки, использующие измерения в открытой геометрии (между источником нейтронов и детектором прибора находится лишь воздух) или измерения в коллимированном пучке нейтронов, когда источник нейтронов помещается в коллимирующую систему из водородсодержащего материала, формирующую направленный пучок нейтронов. Основные требования к таким поверочным установкам регламентируются ГОСТ 8.355-79 ГСИ – Радиометры нейтронов. Методы и средства поверки [2] и ГОСТ 8.521-84 ГСИ. Установки поверочные нейтронного излучения. Методика поверки [1].

Тем не менее в качестве прототипа предлагаемого способа и реализующей его поверочной установки следует использовать способ поверки в коллимированном пучке нейтронов, реализуемый с использованием поверочной установки типа УКПН (установка коллимированного пучка нейтронов).

Отсутствие промышленного выпуска нейтронных спектрометров-дозиметров и в нашей стране, и за рубежом в немалой степени связано и с отсутствием их метрологического обеспечения, поскольку различные варианты экспериментальных образцов многошаровых спектрометров Боннера разрабатываются в мире уже 60 лет, а однокристальных спектрометров на протонах отдачи примерно 40 лет. [3]. Поэтому параллельно с разработкой многодетекторного нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени с вычислительным восстановлением спектров измеряемых потоков нейтронов необходимо разработать адекватный способ и реализующее его устройство (в виде автоматизированного аппаратно-программного комплекса) для метрологического обеспечения этих спектрометров-дозиметров.

Задачей изобретения является создание многодетекторного нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени с вычислительным восстановлением спектров измеряемых потоков нейтронов и осуществление поверки не в одном коллимированном пучке нейтронов с неизвестным энергетическим спектром, а в нескольких десятках опорных нейтронных полей, с достоверно определяемыми энергетическими спектрами, формируемых устройством (испытательно-поверочным комплексом) от одного первичного источника нейтронов.

Поставленная задача решается тем, что способ поверки нейтронных спектрометров-дозиметров, состоит в сличении значений достоверно известных характеристик нейтронного потока, создаваемого поверочной установкой, с показаниями поверяемого прибора, а именно получают от одного первичного источника нейтронов опорные нейтронные поля с различной формой энергетических спектров, расчетным путем определяют энергетические спектры создаваемых опорных нейтронных полей в нормированном и абсолютном виде, определяют плотности потоков опорных нейтронных полей и их энергетические спектры расчетным путём при различных задаваемых расстояниях от первичного источника нейтронов до точки детектирования для обеспечения возможности проведения поверки спектрометра- дозиметра на разных пределах измерения, переходят от расчётных нормированных значений спектральных плотностей к их абсолютным значениям и сличают с ними показания поверяемых нейтронных спектрометров-дозиметров.

Поставленная задача решается так же тем, что поверку проводят по последовательно создаваемым от одного радиоизотопного источника нейтронов опорным нейтронным потокам с различной формой энергетических спектров путём помещения источника нейтронов в коллимирующую систему, в канал которой поочерёдно устанавливаются диски-замедлители нейтронов различной толщины из водородсодержащего материала.

Поставленная задача решается так же тем, что спектры создаваемых опорных нейтронных потоков, определяют расчетным путем с использованием метода Монте-Карло, реализуемого с помощью существующих программных комплексов для ядерно-физических расчётов, например, GEANT-4, с учётом рассеянных нейтронов, вторично отражённых от стен, пола и потолка помещения, при этом рассчитываемые спектры нормируются относительно интегральной плотности соответствующего потока.

Поставленная задача решается так же тем, что определяют абсолютные значения спектральных составляющих создаваемых опорных нейтронных полей по их нормированным значениям путём измерения абсолютных значений тепловых составляющих опорных потоков методом кадмиевой разности с помощью образцового радиометра, чувствительного к низкоэнергетическим нейтронам, снабжённого съёмным кадмиевым экраном, сопоставляют их с расчётными нормированными значениями тепловых составляющих этих потоков с последующим умножением нормированных значений на выявленные при таком сопоставлении коэффициенты соответствия между расчётными нормированными и измеренными абсолютными значениями тепловых составляющих соответствующих опорных потоков.

Поставленная задача решается так же тем, что мощности амбиентного эквивалента дозы создаваемых опорных нейтронных полей определяют вычислительным путём по абсолютным значениям их спектральных составляющих и коэффициентам конверсии плотности потока в мощность амбиентного эквивалента дозы.

Поставленная задача решается так же тем, что устройство,  реализующее способ поверки нейтронных спектрометров-дозиметров, состоит из поверяемого спектрометра-дозиметра, коллимирующей системы, выполненной из водородсодержащего материала с помещённым в неё радиоизотопным источником нейтронов, причем в канал коллимирующей системы последовательно помещают диски-замедлители нейтронов  различной толщины из водородсодержащего материала, а выходной торец коллимирующей системы имеет съёмный кадмиевый экран

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 - схема устройства для реализации способа.

На фиг. 2 - коллимирующая система с набором дисков-замедлителей нейтронов различной толщины.

На фиг. 3 - фото макетного образца коллимирующей системы, смонтированной на нейтронной испытательной установке ИЛ-1 в лаборатории радиационных измерений Курского завода «Маяк».

На фиг. 4 - примеры спектров некоторых опорных нейтронных полей,

получаемых на испытательно-поверочном комплексе от плутоний-бериллиевого источника при различных толщинах замедляющих дисков при расстоянии между источником и точкой детектирования в 1,0 м (без кадмиевого экрана вверху и с кадмиевым экраном внизу).

На фиг. 5 - спектры опорных нейтронных полей, получаемых на испытательно-поверочном комплексе от плутоний-бериллиевого источника при различных расстояниях между источником нейтронов и точкой детектирования при отсутствии замедляющих дисков в коллимирующей системе.

Для получения от одного первичного источника нейтронов опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров используют коллимирующую систему 6, в которую помещается первичный источник нейтронов, в канал которой поочерёдно помещаются диски-замедлители нейтронов 12 из водородсодержащего материала различной толщины, при прохождении через водородсодержащее вещество (чаще всего полиэтилен или парафин) нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов водорода (протонами), выбивая их из атома (такие выбиты из атомов протоны называют протонами отдачи). В итоге таких столкновений образуются свободные протоны и электроны. Энергия электрона при этом не изменяется и его захватывает или ближайший атом углерода, образуя отрицательный ион, или потерявший свою кинетическую энергию при торможении в веществе сцинтиллятора протон отдачи, вновь образуя атом водорода. Выбитые из атомов водорода протоны отдачи, взаимодействуя с орбитальными электронами окружающих атомов, вызывают их ионизацию и возбуждение, теряя при этом свою энергию, что и используется для детектирования нейтронов. Сцинтилляторы отличаются от прочих веществ тем, что его возбуждённые атомы, освобождаются от избыточной энергии, испуская световые фотоны (при этом вещество сцинтиллятора должно быть прозрачно для них). Протоны отдачи не могут иметь энергию выше кинетической энергии выбивших их нейтронов. Переданная ему энергия зависит от угла столкновения нейтрона с протоном: она максимальна (практически равна начальной кинетической энергии нейтрона) при лобовом столкновении и уменьшается при увеличении угла столкновения. При столкновении с более тяжёлым ядром углерода нейтрон даже при лобовом столкновении теряет небольшую часть своей энергии. Именно поэтому водородсодержащее вещество (в том числе и вода) являются эффективными замедлителями нейтронов. Столкновение нейтрона с ядрами атомов даже в плотном веществе является достаточно редким событием, поскольку размеры ядра и самого нейтрона на несколько порядков меньше размеров атома. Ещё реже происходят лобовые столкновения с ядрами атомов водорода. Поэтому для полной потери своей начальной кинетической энергий нейтрон должен испытать множество столкновений, пролетая при этом в веществе значительные расстояния. Соответственно при прохождении их через вещество-замедлитель нейтронов потери их энергии будут зависеть от толщины замедлителя. Поэтому при помещении в канал коллимирующей системы дисков из водородсодержащего материала разной толщины прошедшие через него нейтроны будут иметь различный энергетический спектр (следует также иметь в виду, что потерявшие всю свою энергию нейтроны распадаются на протон, электрон и антинейтрино, т.е. нейтроны устойчивы только в составе ядер). Таким образом, помещая в канал коллиматора диски из водородсодержащего вещества различной толщины на выходе коллиматора будут получаться потоки, интегральная плотность которых и энергетический спектр будут зависеть от толщины этих дисков.

Для второго этапа способа определения энергетических спектров создаваемых опорных нейтронных полей в нормированном и абсолютном виде получают нейтронные потоки с различной интегральной плотностью потоков, что необходимо для поверки спектрометров на разных пределах измерения, обычно достигаемое изменением расстояния между источником нейтронов и детектором (блоком детектирования) поверяемого прибора, то есть отказываемся от использования традиционного метода обратных квадратов при определении плотности потока с изменением расстояния до источника нейтронов. В прототипе и всех действующих методиках поверки нейтронных радиометров-дозиметров, базирующихся на указанных выше стандартах, изменение плотности потока с изменением расстояния до источника определялось по закону обратных квадратов (плотность потока в точке измерения обратно пропорциональна квадрату расстояния от неё до источника). Но этот закон справедлив лишь для точечного источника в неограниченном пространстве при отсутствии рассеивающей среды (в вакууме). Даже при измерениях в открытой геометрии не выполняются второе и третье условия и плотность потока в точке измерения складывается из прямого потока от источника, который будет дополнительно ослабляться за счёт рассеяния воздухом, и потока, отражённого от стен, пола, потолка и окружающих предметов. Поскольку при таком вторичном рассеянии нейтроны теряют дополнительную порцию энергии, а относительная плотность этого вторично рассеянного потока по сравнению с прямым потоком будет возрастать, то с изменением расстояния до источника нейтронов будет происходить не только ослабление плотности потока (но не по закону обратных квадратов), но и изменение его энергетического спектра. А при помещении источника нейтронов в коллимирующую систему закон обратных квадратов вообще использовать нельзя, т. к. полностью изменяются физические условия формирования потока. Эти изменения усугубляются многократно при помещении в канал коллиматора 6 замедляющих дисков 12 различной толщины. Поэтому для каждого заранее выбранного расстояния от первичного источника нейтронов и каждого диска-замедлителя нейтронов определённой толщины и плотность потока и его энергетический спектр должны быт определены заранее.

Третий этап способа – определение интегральной плотности и энергетических спектров всех генерируемых опорных нейтронных полей возможно тремя путями:

1. Измерением с использованием метода активационного анализа.

2. Измерением с использованием многошарового спектрометра Боннера.

3. Расчётным путём с использованием моделирующих программ взаимодействия нейтронов с веществом на основе метода Монте-Карло.

Для непосредственного вычисления спектров опорных нейтронных полей в точках измерения путём использования моделирующих программ взаимодействия нейтронов с веществом при конкретных геометриях измерений используем хорошо апробированные в ядерной физике программы статистического моделирования (использующие метод Монте-Карло). Существует несколько программных пакетов, позволяющих проводить такие вычисления для самых разнообразных геометрий измерения и взаимодействующих с нейтронами веществ. Наиболее точным для расчётов переноса нейтронного излучения считается программный комплекс MCNPX. Но наиболее универсальной (пригодной для всех видов, ионизирующих излучения) и наиболее широко используемой в ядерной физике и при проектировании различных ядерных установок, является библиотека программ GEANT-4. Этот программный пакет регулярно совершенствуется и обновляется, и находится в свободном доступе. Учитывая эти его преимущества, были проведены специальные сравнительные исследования результатов расчётов с помощью программных пакетов MCNPX и GEANT-4 [10], которые показали согласование их результатов в пределах 3–5% при оценке отклика детектора в энергетическом диапазоне 0,025–20·10⁶ эВ и в пределах 1 % для диапазона энергий 100–5·10⁶ эВ. Для оценки точности этих программных комплексов в [10] проведено сравнение симуляций спектра источника ²⁵²Cf из стандарта ISO-8529-1.2001 “Reference neutron radiations – Part1: Characteristics and methods of production” [11]. Для программного комплекса MCNPX рассогласование составляет менее 2,5 %, для GEANT-4 – 5,3–6,5%. Таким образом, использование библиотеки программ GEANT-4 для расчётов спектров опорных нейтронных полей обеспечивает достаточную для практики точность и позволяет получать спектры не только нейтронной, но и гамма-составляющей смешанного излучения.

Сравнивая по достоверности все три рассмотренных подхода к определению спектров опорных нейтронных полей, создаваемых испытательно-поверочным комплексом, предпочтение, несомненно, следует отдать третьему подходу. В самом деле, спектральные характеристики индикаторов в активационном анализе и детектора в сочетании с различными шарами – замедлителями нейтронов во втором подходе рассчитываются с помощью идентичных (или аналогичных) программных пакетов, используемых в третьем подходе. Следовательно, неопределённость этих расчётов будет примерно одинаковой. Но при активационном анализе к ней добавляется погрешности измерения наведённой активности индикаторов после экспонирования в исследуемом потоке нейтронов, и более существенная неопределённость вычислительного восстановления спектра по результатам измерения наведенной активности индикаторов. Аналогично при использовании многошарового спектрометр неопределённость складывается из неопределённости расчёта спектральных характеристик детектора в совокупности с различными шарами-замедлителями нейтронов и неопределённости вычислительного восстановления спектров по откликам детектора с различными шарами. В третьем же подходе имеет место лишь первая составляющая неопределённости и при использовании программного пакета GEANT-4 на основе многолетнего опыта его применения для аналогичных расчётов её можно оценить в 5-6 %, что вполне приемлемо для практики.

Таким образом, для реализации расчётов характеристик опорных нейтронных полей необходимо задать спектральный состав моделируемого первичного источника нейтронов, геометрию, размеры и вещественный состав коллимирующей системы, толщину помещаемых в её канал дисков-замедлителей нейтронов, геометрию помещения, в котором располагается установка, материал стен, пола и потолка помещения, расстояния между источником нейтронов и точками измерения, в которые будут помещаться детекторы поверяемого прибора, а также, расположения в помещении элементов установки при задаваемых расстояниях от первичного источника нейтронов, Спектры излучения используемых в поверочных установках образцовых источников нейтронов хорошо изучены и приведены в ряде литературных источников (например, в [11]). За счёт вариаций конструкции корпуса и состава сложных источников типа Pu-α-Be их реальные спектры могут несколько отличатся от эталонных. Но, если знать конструкцию и состав источника, то его спектр можно рассчитать, используя ту же библиотеку программ. В любом случае усреднённую по шкале энергий погрешность спектральной плотности первичного источника нейтронов можно оценить величиной, не превышающей 5 %.

Из первичного источника нейтронов (капсулы образцового радиоизотопного источника) моделируется излучение нейтронов соответствующего энергетического состава с равновероятным направлением их скорости во все стороны. А далее прослеживаются все взаимодействия этих нейтронов с ядрами атомов окружающих объектов и их последствия. Понятно, что детектора достигает лишь небольшая часть излучённых из первичного источника нейтронов. При этом, как уже было сказано ранее, учитываются прямые нейтроны, прошедшие через коллимирующую систему, включая нейтроны рассеянные самой коллимирующей системой, в том числе и помещёнными в её канал замедляющими дисками, и рассеянные коллиматором нейтроны, вышедшие из неё в наружное пространство (в том числе и через боковые поверхности коллиматора) и вторично отражённые от стен, пола и потолка помещения, часть из которых попадает в детектор. При каждом взаимодействии с ядрами атомов окружающего вещества будет поглощаться часть энергии нейтронов и меняться направление его скорости, а часть высокоэнергичных нейтронов будет поглощаться ядрами с излучением вторичных частиц и гамма-квантов. Чтобы получить представительное число нейтронов, достигающих детектора, по которому можно сформировать достоверный спектр потока, приходится «запускать» огромное число (сотни миллионов) нейтронов. Поэтому такие расчёты требуют огромных вычислительных ресурсов (один расчёт требует сотен часов машинного времени на современных ПК).

Поскольку энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков чрезвычайно широк, а количество измерительных каналов с различными спектральными характеристиками спектрометра-дозиметра ограничено (не более 1-2 десятков), то и измеренные им спектры должны представляться в ступенчатом виде – средне интервальными значениями спектральных плотностей в энергетических интервалах, на которые поделён весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков. Соответственно и спектры создаваемых испытательно-поверочным комплексом опорных нейтронных полей также должны представляться в ступенчатом виде для тех же энергетических интервалов. При определении границ энергетических интервалов необходимо обеспечить их согласование с общепринятыми границами между тепловыми, промежуточными и быстрыми нейтронами.

Однако, расчётным путём можно получить только нормированные (относительно интегральной плотности потока) значения спектральных плотностей опорных нейтронных полей. А при поверке необходимо использовать их абсолютные значения. Для этого определяем интегральную плотность каждого создаваемого опорного нейтронного потока, тогда, умножаем на него нормированные спектральные составляющие соответствующего потока, легко получаем их абсолютные значения. Однако, достоверно измерить плотность интегрального потока с произвольным спектром нечем (пока нет образцового нейтронного спектрометра), а расчётным путём (с помощью моделирующих программ) определить их абсолютные значения невозможно, т.к. при моделировании «запускается» произвольное число нейтронов и его невозможно сопоставить с реальным числом нейтронов, испущенных источником за время измерения..

Решение этой проблемы состоит в том, чтобы определить коэффициент соответствия между нормированными и абсолютными значениями спектральных плотностей опорных потоков. Это возможно путём измерения тепловых составляющих этих потоков с помощью образцового радиометра, чувствительного к низкоэнергетическим нейтронам, снабжённого съёмным кадмиевым экраном. Такой радиометр может быть выполнен на базе полистирольного сцинтилляционного детектора, в сцинтиллятор которого добавлен бор-10, активно взаимодействующий с низкоэнергетическими нейтронами с вылетом альфа-частицы. Сцинтиллятор необходимо выполнить достаточно тонким (не толще 5 мм), чтобы он был нечувствителен к сопутствующему гамма-излучению. Его эффективность к тепловым нейтронам достаточно достоверно (с погрешностью не более 5 %) может быть определена расчётным путём с использованием той же библиотеки программ GEANT-4. Это позволяет, используя метод кадмиевой разности, с той же достоверностью определять абсолютное значение плотности тепловой составляющей каждого опорного нейтронного потока

где и число зарегистрированных импульсов детектором без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном;

– эффективность детектора образцового радиометра к тепловым нейтронам;

– площадь сечения сцинтиллятора детектора образцового радиометра;

Т _и – время измерения (оно должно быть одинаковым при измерениях с детектором без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном).

Сопоставляя измеренную образцовым радиометром плотность тепловой составляющей i-го опорного потока с расчётной нормированной плотностью тепловой составляющей данного опорного потока , получаем коэффициент соответствия между ними:

где – нормированное расчётное значение тепловой составляющей i-го потока, определяемая по ответам нейронной сети;

k – количество энергетических интервалов в тепловой части i-го потока.

Этот коэффициент соответствия будет одинаков для всех спектральных составляющих данного потока, т. е. Поэтому, зная расчётные нормированные спектральные составляющие всех опорных нейтронных полей A_ij и умножая их на полученный для данного опорного потока коэффициент соответствия, получаем абсолютные значения плотности спектральных составляющих этого потока:

Просуммировав спектральные составляющие потока по всем энергетическим интервалам, получаем интегральную плотность данного нейтронного потока:

Поскольку спектрометр-дозиметр должен измерять не только энергетический спектр произвольных нейтронных потоков, но и мощность дозы. То помимо абсолютных значений спектральных составляющих опорных нейтронных полей должны быть определены и мощности дозы, создаваемые этими потоками. Переносные спектрометры используются для дозиметрического контроля рабочих мест (ДКРМ) на предприятиях атомной отрасли. Такой контроль должен проводиться путём измерения мощности амбиентного эквивалента дозы Н*(10).

Зная спектр нейтронного потока, можно с высокой точностью определить мощность амбиентного эквивалента дозы. Алгоритм её вычисления состоит в следующем:

1) По таблице зависимости конверсионных коэффициентов преобразования флюенса моноэнергетических нейтронов в амбиентный эквивалент дозы от энергии нейтронов h₁₀ [пЗв/см^-2] в диапазоне энергий от 0,001 эВ до 20 МэВ, приводимых, например, в [13] строится график этой зависимости в логарифмической шкале энергий.

2) По полученным точкам на этом графике восстанавливается непрерывный вид этой зависимости (например с использованием сплайна Акимы).

3) Для каждого энергетического интервала путём численного интегрирования рассчитываются средние значения этих коэффициентов для каждого принятого энергетического интервала h_{10 ij} (где i – обозначение опорного потока, j – обозначение энергетического интервала).

4) Умножая абсолютные значения спектральной плотности данного опорного потока на среднее значение конверсионного коэффициента для данного энергетического интервала и суммируя полученные результаты по всем энергетическим интервалам, получаем точное значение мощности амбиентного эквивалента дозы для данного опорного потока:

Расчёт для всех опорных нейтронных полей проводится вместе с расчётом их спектров и результаты помещаются в базу данных характеристик всех опорных нейтронных полей в постоянную пвмять управляющего компьютера испытательно-поверочного комплекса.

Расчёты спектров опорных нейтронных полей (и в нормированном, и в абсолютном выражении) и расчёты мощности амбиентного эквивалента дозы для них должны быть выполнены при метрологической аттестации испытательно поверочного комплекса и занесены в долговременную память управляющего компьютера этого комплекса. Таким образом, к моменту поверки нейтронного спектрометра-дозиметра результаты всех этих расчётов для всех опорных нейтронных полей должны содержаться в постоянной памяти управляющего компьютера комплекса.

Далее сличаем абсолютные значения спектральных плотностей и мощности амбиентного эквивалента дозы, измеренных поверяемым спектрометром-дозиметром с их действительными значениям (сейчас принята терминология – условно истинными значениями) этих величин для данного опорного потока. Процедура проведения поверки описана ниже при описании работы устройства (испытательно-поверочного комплекса).

Устройство, реализующее предлагаемый способ поверки нейтронных спектрометров-дозиметров, представляет собой испытательно-поверочный комплекс, который состоит из:

- платформы 1, куда при метрологической аттестации самого испытательно-поверочного комплекса устанавливается образцовый радиометр тепловых нейтронов 2 со съёмным кадмиевым экраном, а при поверке нейтронного спектрометра-дозиметра – поверяемый спектрометр-дозиметр 3;

- измерительной линейки 4, по направляющим которой с помощью дистанционно управляемой телемеханической системы (на рисунке не показана) может перемещаться тележка 5 с устанавливаемой на неё коллимирующей системой 6 с источником нейтронов 7, закрепляемым электромагнитным фиксатором (на рисунке не показан);

- дистанционно управляемой телемеханической системы (на рисунке не показана) для извлечения капсулы с источником нейтронов 7 из подземного бункера 8 и доставки её по транспортной трубе 9 в коллимирующую систему 6, где она закрепляется электромагнитным фиксатором, а также обратно в бункер 8 после завершения цикла измерений;

- компьютерной системы управления на базе персонального компьютера со стандартным набором периферийных устройств для автоматизированной регистрации результатов измерений, их математической обработки и хранения, а также для хранения спектров создаваемых опорных нейтронных полей, управления процедурой поверки, представления результатов поверки в удобном для оператора виде, формирования протокола поверки или испытаний с его распечаткой и хранением в архивной памяти (на фиг. 1 и 2 не показана).

Коллимирующая система 6, представленной на фиг. 2, в свою очередь состоит из отражателя нейтронов 10 и коллимирующей трубы 11, вплотную примыкающей к отражателю нейтронов 10, изготовленных из водородсодержащего материала (полиэтилена), в канал которой должны поочерёдно помещаться диски-замедлители нейтронов 12 различной толщины, также из водородсодержащего материала. Для установки в коллимирующую систему капсулы с источником нейтронов 6 в зоне сопряжения отражателя нейтронов 10 и коллимирующей трубы 11 имеется вертикальный узкий канал 13 с центрирующей воронкой 14 в его верхней части, служащий для доставки капсулы с источником нейтронов 6 по транспортной трубе 9 из бункера 8 в коллимирующую систему 6 и обратно (после завершения очередного цикла измерений). На выходной торец коллимирующей трубы 11 может надеваться съёмный экран 15 из листового кадмия толщиной 1 мм.

Некоторое представление об устройстве поверочной установки можно получить по фотографии макетного образца коллимирующей системы, смонтированной на нейтронной поверочной установке ИЛ-1 Курского завода «Маяк» (фиг. 3), и использовавшейся нами для калибровки макета разрабатываемого нейтронного спектрометра. В этой установке транспортная труба с воронкой, по которой доставляется капсула с источником нейтронов, проходит через коллимирующую систему в зоне стыковки отражателя нейтронов с коллимирующей трубой. Там же размещён электромагнитный фиксатор капсулы с источником нейтронов, под который в отражателе нейтронов пришлось сделать достаточно объёмный вырез. Конструкция тележки ограничивала возможную толщину стенок коллимирующей трубы (30 мм) при диаметре её канала 100 мм (вносить изменения в исходную конструкцию установки ИЛ-1 не разрешалось).

Таким образом при реализации способа на данной установке необходимо иметь:

- базу данных расчётных нормированных (относитедбно интегральной плотности потока) спектров нейтронных опорных полей, создаваемых испытательно-поверочным комплексом в точках детектирования на расстояниях между источником нейтронов и детектором 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0 и 5,0 м для толщин замедляющих дисков 0 (нет дисков), 10, 20, 30, 50, 80, 120 и 180 мм без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном;

- программу преобразования базовых спектров из непрерывной формы в ступенчатую по принятым энергетическим интервалам с сохоанением их в постоянной памяти управляющего компьютера комплекса;

- программу генерирования по базовым спектрам, выраженным в ступенчатой форме, модельных реализаций спектров для формирования обучающей и проверочной выборок, используемых для обучения нейронной сети, встраиваемой в нейтронный спектрометр-дозиметр;

- программу измерения тепловой составляющей опорных нейтронных полей методом кадмиевой разности с использованием образцового радиометра тепловых нейтронов со съёмным кадмиевым экраном и определения абсолютных значений спектральных и интегральных плотностей опорных нейтронных полей с хранением их в постоянной памяти управляющего компьютера испытательно-поверочного комплекса;

- программу вычисления мощности амбиентного эквивалента дозы для всех опорных нейтронных полей по абсолютным значениям их спектральных составляющих с хранением полученных результатов в постоянной памяти управляющего компьютера испытательно-поверочного комплекса;

- программу управления процедурой поверки и диалога с оператором;

- программу математической обработки и визуализации получаемых результатов измерений и сохранения их в архивной памяти управляющего компьютера испытательно-поверочного комплекса; ;

- программу формирования паспорта поверки нейтронных спектрометров-дозиметров с сохранением его в архивной памяти управляющего компьютера испытательного комплекса;

Определение абсолютных значений спектральных и интегральных плотностей и вычисление мощности амбиентного эквивалента дозы для всех опорных нейтронных полей проводятся при аттестации и поверках самого испытательно-поверочного комплекса, так что перед началом поверки спектрометра-дозиметра в памяти управляющего компьютера уже хранятся все эти данные для всех создаваемых испытательно-поверочным комплексом опорных нейтронных полей. Поэтому эти расчёты в процедуру поверки не входят.

Процедура поверки проходит следующим образом:

- поверяемый спектрометр 3 устанавливается на платформу 1 таким образом, чтобы горизонтальная ось детекторов блока детектирования поверяемого спектрометра совпадала с осью канала коллимирующей трубы 11, а сам спектрометр соединяется информационным кабелем с управляющим компьютером (который располагается в защищённом от излучения помещении);

- в канал коллимирующей трубы 11 помещается один из дисков-замедлителей нейтронов 12 (одно из измерений проводится при отсутствии дисков-замедлителей нейтронов);

- кадмиевый экран 15 снимается с торца коллимирующей трубы 11.

Последующая процедура проводится оператором дистанционно из защищённого от излучения помещения:

- по команде оператора капсула с первичным источником нейтронов 11 с помощью телемеханической системы извлекается из бункера 8 и по транспортной трубе 9 доставляется к коллимирующей системе 6 и через вертикальный канал 13 устанавливается между отражателем нейтронов 10 и коллимирующей трубой 11, где фиксируется электромагнитным фиксатором так, чтобы геометрический центр капсулы с источником нейтронов располагался на продольной горизонтальной оси коллимируюшей трубы 11 (стальной корпус капсулы с источником нейтронов обеспечивает надёжную её транспортировку по транспортной трубе 9 с помощью тросика с дистанционно включаемым электромагнитом, а фиксатор обеспечивает правильное располо-жение капсулы с источником нейтронов в коллимирующей системе);

- с помощью телемеханической системы тележка 5 с коллимирующей системой 6, в которой установлен источник нейтронов 7, по команде оператора перемещается на одно из задаваемых расстояний от детекторов поверяемого спектрометра;

- по команде оператора начинается измерение (управление процессом измерения осуществляется автоматически встроенным в спектрометр-дозиметр микроконтроллером), но команда оператора выдаётся из управляющего компьютера испытательно-поверочного комплекса;

- результаты измерения автоматически транслируются из спектрометра-дозиметра в управляющий компьютер испытательно-поверочного комплекса;

- управляющий компьютер производит сличение полученных результатов с хранящимися в его памяти расчётными значениями нормированных и абсолютных спектральных и интегральной плотностей, а также мощности амбиентного эквивалента дозы для данного опорного нейтронного потока, вычисляет ошибки, проводит их статистическую обработку, отображает результаты на дисплее и заносит их в долговременную память;

- если по принятой методике поверки требуется повторное измерение (от 5 до 10 раз), то они выполняются и результаты накапливаются в памяти управляющего компьютера, после чего вычисляются средние значения измеренных веоичин, а также максимальные и средние ошибки по каждому энергетическому интервалу, по интегральной плотности потока и по мощности амбиентного эквивалента дозы;

- по завершении измерений оператор даёт команду на перемещение тележки 5 с коллимирующей системой 6 на другое стандартное расстояние и повторяется вся процедура измерений;

- когда проведены измерения при всех задаваемых расстояниях, оператор даёт команду на транспортировку источника нейтронов 7 в бункер 8, и после её выполнения заменяет диск-замедлитель нейтронов или надевает на выходной торец коллимирующей трубы 11 кадмиевый экран 15, выходит в защищаемое помещение и повторяет весь цикл измерений при всех расстояниях между источником нейтронов 7 и детекторами поверяемого спектрометра-дозиметра 3.

Когда проведены измерения для всех опорных нейтронных полей, оператор вводит с клавиатуры управляющего компьютера служебную информацию, необходимую для протокола поверки и даёт команду на его автоматическое формирование, с выводом его на печать и сохранением в архивной памяти.

Для иллюстрации получаемых расчётных спектров опорных нейтронных полей на фиг. 4 приведены нормированные расчётные спектры опорных полей, получаемые при расстоянии между источником нейтронов и точкой детектирования в 1 м при использовании замедляющих дисков различной толщины, а на фиг. 5 – спектры опорных нейтронных полей при отсутствии замедляющих дисков в канале коллимирующей системы, но при различных расстояниях между источником нейтронов и точками детектирования.

Из графиков на фиг. 4 (верхний рисунок) можно видеть, что при отсутствии кадмиевого экрана на коллимирующей трубе тепловой пик на спектрах при всех толщинах замедляющих дисков существенно превышает пик быстрых нейтронов (лишь при отсутствии замедляющих дисков в коллиматоре они примерно сравниваются). Форма пика тепловых нейтронов при использовании замедляющих дисков различной толщины изменяется незначительно (он остаётся сравнительно гладким), изменяется лишь его высота. А форма пика быстрых нейтронов меняется при этом весьма существенно.

Графики спектров на нижнем рисунке фиг. 4 показывают, что при наличии кадмиевого экрана на торце коллимирующей трубы резко уменьшается величина пика тепловых нейтронов и при использовании замедляющих дисков различной толщины его величина меняется не столь существенно. Однако, тепловые нейтроны не исчезают полностью. В этом случае тепловой пик образуется за счёт рассеянных коллиматором нейтронов, вышедших через его боковые стенки в наружное пространство и вторично рассеянные стенами, полом и потолком помещения, часть которых достигает точки детектирования.

Из графиков на фиг. 5 следует, что с изменением расстояний до источника нейтронов форма спектров также изменяется достаточно существенно, как раз за счёт изменения соотношений между прямыми нейтронами, прошедшими через открытый канал коллимирующей системы и вторично рассеянными стенами, полом и потолком помещения нейтронами. Очевидно, что при наличии замедляющего диска в коллиматоре эти изменения будут выражены сильнее, т. к. доля прямых нейтронов при этом будет существенно уменьшаться.

Таким образом, испытательно-поверочный комплекс способен создавать опорные нейтронные поля с весьма разнообраными формами спектров, что и требуется для проведения поверки спектрометров дозиметров и оценки их реальных погрешностей при измерении нейтронных потоков с различными формами энергетических спектров.

Литература:

1. ГОСТ 8.521-84 ГСИ. Установки поверочные нейтронного излучения. Методика поверки.

2. ГОСТ 8.355-79 ГСИ. Радиометры нейтронов. Методы и средства поверки.

3. ГОСТ 8.521-84 ГСИ. Установки поверочные нейтронного излучения. Методика поверки.

4. Внутриреакторная дозиметрия: практическое руководство / Б. А. Брискман, В. В. Генералова, Е. А. Крамер-Агеев [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1985. 200 с.

5. Brooks F. D., Klein H. Neutron spectrometry – historical review and present status // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 476, 2002. P. 1-11.

6. Брегадзе Ю. И., Степанов Э. К., Ярына В. П. Прикладная метрология ионизирующих излучений // М.: Энергоатомиздат, 1990. 264 с.

7. Bramblett R. L., Ewing R. I., Bonner T. W. A new type of Neutron spectrometer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. North-Holland publishing Co. № 9, 1960. P. 1-12.

8. Thomas D. J., Alevra A. V. Bonner sphere spectrometers – a critical review//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 476, 2002. P. 12-20.

9. Санников А. В., Пелешко В. Н., Савицкая Е. Н., Купцов С. И., Сухарев М. М. Многошаровый спектрометр нейтронов на основе серийного прибора РСУ-01 // АНРИ, № 1, 2009. С. 62-69.

10. B.M. van der Ende, J. Atanachovich, A. Erlandson. Nucl. Instrum. Method. Phys. Res., A, 820 (2016) 40-47.

11. ISO-8529-1:2001 “Reference neutron radiations – Part1: Characteristics and methods of production”.

12. МУ 2.6.5.052-2017. Дозиметрия. Определение индивидуальной эффективной дозы нейтронного излучения. М. 2018. 105 с.

Группа изобретений относится к технике измерения ионизирующих излучений. Способ поверки нейтронных спектрометров-дозиметров и реализующее его устройство позволяют проводить поверку нейтронных спектрометров-дозиметров в опорных нейтронных полях с различной формой их энергетических спектров. Получение от одного радиоизотопного источника нейтронов опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров достигается путём помещения источника нейтронов в коллимирующую систему из водородсодержащего материала, в канал которой поочерёдно вставляются диски-замедлители нейтронов различной толщины также из водородсодержащего материала. Спектры получаемых опорных нейтронных полей рассчитываются с помощью пакетов моделирующих программ, используемых в ядерной физике и при проектировании различных ядерно-физических установок. Для поверки спектрометров-дозиметров на разных пределах измерения по плотности потока используется заранее рассчитанная база данных спектров опорных нейтронных потоков для различных задаваемых расстояний между источником нейтронов и точкой детектирования. Технический результат – поверка нейтронного спектрометра-дозиметра с достоверно определяемыми энергетическими спектрами, формируемыми устройством от одного первичного источника нейтронов. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ поверки нейтронных спектрометров-дозиметров, состоящий в сличении значений достоверно известных характеристик опорных нейтронных потоков с различными формами энергетических спектров, создаваемых поверочной установкой, получаемых расчетным путем в нормированном виде с показаниями поверяемого прибора, отличающийся тем, что для определения абсолютных значений спектральных составляющих опорных нейтронных полей используется измерение их тепловой составляющей методом кадмиевой разности с использованием образцового радиометра, чувствительного к низкоэнергетическим нейтронам, с известной эффективностью к тепловой составляющей нейтронного потока, снабженного съемным кадмиевым экраном, и по измеренному значению тепловой составляющей опорного нейтронного потока определяется коэффициент соответствия между измеренным и нормированным значениями тепловых составляющих этого потока с последующим умножением на него расчетных нормированных значений спектральных составляющих данного опорного потока, а умножая полученные абсолютные значения спектральных составляющих потока на заранее вычисленные среднеинтервальные по принятым энергетическим интервалам значения конверсионных коэффициентов перехода от плотности потока к мощности эквивалентной дозы, определяют спектральные составляющие мощности эквивалентной дозы, просуммировав которые получают интегральное значение мощности эквивалентной дозы для данного опорного потока, сличая его с соответствующим показанием поверяемого спектрометра-дозиметра.

2. Испытательно-поверочный комплекс для поверки нейтронных спектрометров-дозиметров, реализующий способ поверки нейтронных спектрометров-дозиметров по п. 1, отличающийся тем, что состоит из платформы, куда при поверке нейтронного спектрометра-дозиметра устанавливается поверяемый спектрометр-дозиметр, измерительной линейки, по направляющим которой с помощью дистанционно управляемой телемеханической системы может перемещаться тележка с устанавливаемой на нее коллимирующей системой, выполненной из водородсодержащего материала, с помещенным в нее радиоизотопным источником нейтронов, в канал которой последовательно помещаются диски-замедлители нейтронов различной толщины из водородсодержащего материала, телемеханической системы для извлечения капсулы с источником нейтронов из подземного бункера и доставки ее по транспортной трубе в коллимирующую систему, где она закрепляется электромагнитным фиксатором, а также обратно в бункер после завершения цикла измерений, съемного кадмиевого экрана, надеваемого на выходной торец коллимирующей системы.