Способ оценки полного сечения взаимодействия материала с тепловыми нейтронами Российский патент 2024 года по МПК G21K1/02 

Изобретение относится к области нейтронной физики, неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов, к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов с помощью нейтронного излучения. И может быть использовано для оценки радиационно-защитных свойств материалов, применяемых в области ядерных технологий, в качестве материалов физической защиты, а также в аэрокосмической промышленности.

Известно устройство нейтронной радиографии [Патент РФ № 2505801, опубликованный 27.01.2014], которое содержит источник проникающего излучения, систему перемещения объекта относительно источника излучения, блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, систему получения изображения объекта по поглощенному излучению, при этом данное устройство также содержит линейные нейтронные детекторы, установленные параллельно друг другу с обеих сторон от просвечиваемого объекта и гамма спектрометр, схему временного анализа событий, зарегистрированных в элементах позиционно-чувствительного детектора альфа частиц и в элементах линейных однокоординатных детекторах быстрых нейтронов, причем линейные детекторы, расположенные перед просвечиваемым объектом со стороны источника, экранированы посредством соответствующих экранов, содержащих водородосодержащие вещества, от нейтронов источника, идущих напрямую, а источник проникающего излучения выполнен в виде генератора нейтронов с позиционно-чувствительным детектором альфа частиц.

Одним из известных изобретений для неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов является радиографическая установка [Патент РФ № 2362148, опубликован 20.07.2009], содержащая источник тепловых нейтронов, в котором перед источником быстрых нейтронов установлен блок-замедлитель, выполненный из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель, слой защиты от гамма-излучения, слой защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, сечение входного канала коллиматора совпадает с сечением полости, перед выходным каналом полости установлен коллиматор, по длине коллиматора последовательно расположена дополнительная защита из слоя от гамма-излучения, слоя защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, к дополнительной защите, примыкает измерительная камера, выполненная в виде усеченной пирамиды, меньшее основание которой расположено непосредственно перед выходным каналом полости, стенки измерительной камеры выполнены из блоков для защиты от гамма-излучения и блоков защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, внутри измерительной камеры расположены стол для исследуемого образца, детектирующая система и коллиматор, основание которого расположено непосредственно перед исследуемым образцом.

Наиболее близким техническим решением является способ радиографического выявления дефектов в материале [Авторское свидетельство СССР № 198024, опубликовано 09.06.1967], заключающийся в том, что поток быстрых нейтронов, прошедших контролируемое изделие, регистрируют при помощи активирующегося под воздействием падающих нейтронов регистрирующего экрана, изготовленного из материала, сечение активации которого имеет порог в области, соответствующей высоким энергиям нейтронов использующие защитные экраны, установленные перед регистрирующим экраном и изготовленные из материалов, поглощающих резонансные и тепловые нейтроны.

Известные технические решения характеризуются сложностью конструкции, имеют весьма существенные массу и габариты, а также прослойки редких и дорогих элементов, что приводит к удорожанию метода, кроме того, в большинстве устройств используются дорогие детектирующие системы, что существенно ограничивает доступность данных методов.

Задачей изобретения является создание простой в осуществлении и более доступной методики оценки полного сечения взаимодействия материалов с тепловыми нейтронами.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в упрощении методики оценки полного сечения взаимодействия материалов с тепловыми нейтронами за счет упрощения конструкции измерительной установки, а также повышения скорости проведения анализа.

Заявленный технический результат достигается за счет определения плотности потоков нейтронов после прохождения пучка через исследуемый образец. Способ включает следующие этапы: в установке нейтронно-активационного анализа, реализованной на базе радионуклидного источника нейтронов ²⁵²Cf в зоне активации в коллиматор нейтронов в соответствующую позицию устанавливают индикаторную пластину, перед индикатором, на пути следования нейтронного пучка, на держатель образцов устанавливают образец исследуемого материала. Образец облучают потоком нейтронов (10⁹ с^-1) через замедлитель нейтронов деления ²⁵²Cf, изготовленный из оргстекла и обеспечивающий максимальный поток тепловых нейтронов в зоне активации, в течение 9-12 часов. Измерение наведенной активности материала и индикаторной пластины проводят в течение 2-5 часов в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора. Полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов с материалом определяют по изменению наведенной активности индикаторной пластины.

Способ оценки полного сечения взаимодействия полученных образцов с тепловыми нейтронами осуществляется следующим образом.

В установке нейтронно-активационного анализа, реализованной на базе радионуклидного источника нейтронов ²⁵²Cf типа в зоне активации в коллиматор нейтронов, выполненный в виде пластикового цилиндра (∅ - 28.5 мм., высотой 35 мм.), помещённого (перпендикулярно оси) в стандартную пластиковую кювету (диск ∅ - 65 мм., высотой 55 мм.), наполненную бором, с углублениями соответствующих размеров на задней стенке, выполненных для удобства установки исследуемого образца и индикаторной пластины, в соответствующую позицию устанавливают индикаторную пластину, перед индикатором, на пути следования нейтронного пучка, на держатель образцов устанавливают образец исследуемого материала, перед которым для дополнительной фиксации устанавливают уплотнительное кольцо толщиной 2 мм. Для повышения точности позиционирования коллиматора в облучательном канале, на боковой грани контейнера также устанавливают направляющие.

Используемые индикаторы выполнены на основе европия (Eu). Изотоп ¹⁵¹Eu характеризуется высоким сечением реакции ¹⁵¹Eu(n, γ)^152m1Eu. Сечение реакции для тепловых нейтронов составляет 3300 бн, резонансный интеграл - 1790 бн. Высокие значения сечений взаимодействия с нейтронами позволили использовать тонкие фольги европия, что значительно упрощает процедуру определения наведенной активности индикатора. А период полураспада дочернего продукта реакции ^152m1Eu составляет 9.31 ч, что обеспечивает высокую скорость проводимого анализа (оптимальное время активации 9-12 ч, время измерения наведенной активности 2-5 ч).

Образец облучают потоком замедленных нейтронов от ²⁵²Cf (10⁹ нейтрон с^-1). Данный тип источников отличается низкой интенсивностью сопровождающего γ-излучения, малыми размерами, существенно меньшей ценой и сниженными требованиями к радиационной безопасности. Облучение происходит через замедлитель нейтронов деления ²⁵²Cf, изготовленный из оргстекла и обеспечивающий максимальный поток тепловых нейтронов в зоне активации. Измерение наведенной активности индикаторной пластины проводят в течение 2-5 часов в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора.

Для определения первоначальной плотности потока нейтронов проводится активация индикаторной пластинки в отсутствии образца. Длительность активации составляла 16 ч, время измерения наведенной активности индикаторной пластины - 2 ч., время выдержки индикатора перед повторной активацией - не менее 3 сут.

Наведенную активность индикатора определяли по гамма-линии дочернего продукта реакции ¹⁵¹Eu(n,γ)^152m1Eu - Eγ = 841 кэВ. Максимальную наведенную активность определяли по формуле:

где: I - интенсивность аналитического сигнала, λ - постоянная распада ^152m1Eu, t_meas - длительность измерений спектра, q - квантовый выход излучения соответствующей энергетической группы, ε - эффективность регистрации детектора, t_ir - длительность активации, t_cool - время выдержки образца после окончания активации.

При установке образца в коллиматор происходит изменение наведённой активности индикатора. По величине изменения наведённой активности возможно определение полного сечения взаимодействия тепловых нейтронов с материалом образца.

Измерение активности облученного индикатора дает величину, пропорциональную скорости реакции нейтронного захвата R:

,

где: σ_th - сечение реакции радиационного захвата для тепловых нейтронов, Φ_th - плотность потока тепловых нейтронов, I_res - резонансный интеграл, Φ_res - плотность потока резонансных нейтронов.

Для определения сечения взаимодействия исследуемых образцов с нейтронами отдельных энергетических групп используют метод кадмиевой разницы (проводят облучение индикатора, помещенного в оболочку из кадмия). На основании данных о наведенной активности индикатора после его облучения в кадмиевой оболочке и без нее, осуществляют расчет плотности потока резонансных () и тепловых нейтронов за образцом:

,

,

где: A - максимальная наведенная активность индикатора, M - молярная масса вещества мишени, δ - изотопная распространенность, N_A - постоянная Авогадро, m - масса европия в индикаторе, Φ_th - плотность потока тепловых нейтронов, Φ_res - плотность потока резонансных нейтронов.

Расчет полного сечения взаимодействия исследуемого материала выполняют в приближении одиночного акта взаимодействия нейтронов с образцом, в соответствии:

,

где: Φ_i - плотность потока нейтронов после прохождения пучка через образец; Φ₀ - плотность потока нейтронов в падающем пучке; ρ - линейная плотность атомов образца, σ - полное сечение взаимодействия образца с нейтронами, i - номер образца.

Для изготовления индикаторов использовали водный раствор EuCl₃, концентрация европия - 25 г/л. Раствор с помощью автоматической пипетки вливали в пластиковую кювету. Для равномерного распределения раствора по объему кюветы, на дно кюветы укладывали фильтровальную бумагу.

Для определения рабочей концентрации европия в эталоне была построена зависимость интенсивности аналитического сигнала от массы европия. Представленная зависимость носит линейный характер в исследуемом диапазоне масс европия.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

В установке нейтронно-активационного анализа, реализованной на базе радионуклидного источника нейтронов ²⁵²Cf типа NK252M11 (JSC «SSC RIAR», Россия) в зоне активации в коллиматор нейтронов, в соответствующую позицию установили индикаторную пластину, содержание европия в которой составило 3.75 мг, перед индикатором, на пути следования нейтронного пучка, на держатель образцов установили образец из магниевого сплава МА8 (толщиной 1.5 мм).

Образец облучали потоком нейтронов ²⁵²Cf (10⁹ с^-1) через замедлитель нейтронов деления ²⁵²Cf, изготовленный из оргстекла, в течение 12 часов. Далее в течение 2 часов проводили измерение наведенной активности материала в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора GC2018 (Canberra Industries Inc., USA).

Для измерения гамма-спектров использовали программу eSBS v. 1.6.7.0; обработка результатов измерений выполнена в программе Gamma v.1.0.

Для определения первоначальной плотности потока нейтронов выполнена активация индикаторной пластинки в отсутствии образца. Длительность активации составляла 16 ч, время измерения наведенной активности индикаторной пластины - 2 ч.

Данные по активности индикатора, плотности потоков нейтронов и полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов с материалом образца рассчитаны по стандартным формулам, приведенным выше, и находятся в таблице 1.

Образец из магниевого сплава МА8 задерживает порядка 4.9% от общего потока тепловых нейтронов, а полное сечение взаимодействия материала с тепловыми нейтронами составило 8.18±1.19 б

Пример 2.

В установке нейтронно-активационного анализа, реализованной на базе радионуклидного источника нейтронов ²⁵²Cf типа NK252M11 (JSC «SSC RIAR», Россия) в зоне активации в коллиматор нейтронов, в соответствующую позицию установили индикаторную пластину, содержание европия в которой составило 3.75 мг, перед индикатором, на пути следования нейтронного пучка, на держатель образцов установили образец из магниевого сплава МА8 с базовым ПЭО-покрытием.

Образец облучали потоком нейтронов ²⁵²Cf (10⁹ с^-1) через замедлитель нейтронов деления ²⁵²Cf, изготовленный из оргстекла, в течение 11 часов. Далее в течение 3 часов проводили измерение наведенной активности материала в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора GC2018 (Canberra Industries Inc., USA).

Для измерения гамма-спектров использовали программу eSBS v. 1.6.7.0; обработка результатов измерений выполнена в программе Gamma v.1.0.

Для определения первоначальной плотности потока нейтронов выполнена активация индикаторной пластинки в отсутствии образца. Длительность активации составляла 16 ч, время измерения наведенной активности индикаторной пластины - 2 ч.

Данные по активности индикатора, плотности потоков нейтронов и полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов с материалом образца рассчитаны по стандартным формулам, приведенным выше, и находятся в таблице 1.

Образец магниевого сплава с базовым ПЭО-покрытием задерживает порядка 4.9% от общего потока тепловых нейтронов в пределах погрешности измерения. Полное сечение взаимодействия образца с тепловыми нейтронами составило 8.86±1.29 б

Пример 3.

В установке нейтронно-активационного анализа, реализованной на базе радионуклидного источника нейтронов ²⁵²Cf типа NK252M11 (JSC «SSC RIAR», Россия) в зоне активации в коллиматор нейтронов, в соответствующую позицию установили индикаторную пластину, содержание европия в которой составило 3.75 мг, перед индикатором, на пути следования нейтронного пучка, на держатель образцов установили образец из магниевого сплава МА8 с борсодержащем ПЭО-покрытием.

Образец облучали потоком нейтронов ²⁵²Cf (10⁹ с^-1) через замедлитель нейтронов деления ²⁵²Cf, изготовленный из оргстекла, в течение 10 часов. Далее в течение 2 часов проводили измерение наведенной активности материала в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора GC2018 (Canberra Industries Inc., USA).

Для измерения гамма-спектров использовали программу eSBS v. 1.6.7.0; обработка результатов измерений выполнена в программе Gamma v.1.0.

Для определения первоначальной плотности потока нейтронов выполнена активация индикаторной пластинки в отсутствии образца. Длительность активации составляла 16 ч, время измерения наведенной активности индикаторной пластины - 2 ч.

Данные по активности индикатора, плотности потоков нейтронов и полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов с материалом образца рассчитаны по стандартным формулам, приведенным выше, и находятся в таблице 1.

Образец магниевого сплава с борсодержащим ПЭО-покрытием значительно снижает наведенную активность индикатора, что обусловлено поглощением нейтронов в толщине покрытия. Образец задерживает 16.3% от потока тепловых нейтронов. Полное сечение взаимодействия материала с тепловыми нейтронами составило 30.8±4.5 б

Таблица 1. Активность индикатора при его облучении потоком тепловых и резонансных нейтронов (A_∑) и при его облучении потоком резонансных нейтронов (A_res), плотность потока резонансных (Φ_res) и тепловых (Φ_th) нейтронов; полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов с материалом образца (σ_th).

Пример A_∑ [Бк] A_res [Бк] Φ_res 10^-7 [с^-1 см^-2] Φ_th 10^-7 [с¹ см^-2] σ_th [б] индикатор 613±13 88.04±1.93 6.92±0.71 22.39±0.87 - 1 587±12 87.78±2.38 6.90±0.72 21.29±0.84 8.18±1.19 2 584±12 87.78±2.39 6.90±0.73 21.20±0.83 8.86±1.29 3 522±11 87.51±2.43 6.88±0.71 18.52±0.74 30.80±4.49

Изобретение относится к способу оценки полного сечения взаимодействия материала с тепловыми нейтронами. В установке нейтронно-активационного анализа, реализованной на базе радионуклидного источника нейтронов ²⁵²Cf в зоне активации, в коллиматор нейтронов в соответствующую позицию устанавливают индикаторную пластину, перед индикатором на пути следования нейтронного пучка, на держатель образцов устанавливают образец исследуемого материала. Образец облучают потоком нейтронов интенсивностью 10⁹ с^-1 через замедлитель нейтронов деления ²⁵²Cf, изготовленный из оргстекла и обеспечивающий максимальный поток тепловых нейтронов в зоне активации, в течение 9-12 часов. Измерение наведенной активности материала и индикаторной пластины, выполненной на основе европия, проводят в течение 2-5 часов в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора. Полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов с материалом определяют по изменению наведенной активности индикаторной пластины. Техническим результатом является возможность повышения скорости оценки полного сечения взаимодействия материалов с тепловыми нейтронами при упрощении конструкции измерительной установки. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ оценки полного сечения взаимодействия материала с тепловыми нейтронами путем помещения в соответствующую позицию в коллиматоре нейтронов, на пути следования нейтронного пучка из радионуклидного источника нейтронов, образца исследуемого материала на держатель и индикаторной пластины за образцом в излучательном канале, облучения образца потоком нейтронов через замедлитель нейтронов деления, изготовленный из оргстекла, измерения наведенной активности материала и индикаторной пластины в γ-спектрометрическом комплексе, выполненном на основе коаксиального HPGe детектора, и определения полного сечения взаимодействия тепловых нейтронов с материалом по изменению наведенной активности индикаторной пластины, отличающийся тем, что образец облучают потоком нейтронов ²⁵²Cf интенсивностью 10⁹ с^-1, коллиматор нейтронов выполнен в виде пластикового цилиндра диаметром 28.5 мм и высотой 35 мм, помещённого перпендикулярно оси в стандартную пластиковую кювету с диаметром диска 65 мм и высотой 55 мм, наполненную бором, с углублениями соответствующих размеров на задней стенке, уплотнительным кольцом толщиной 2 мм, установленным перед исследуемым образцом, и направляющими на боковой грани контейнера, используемые индикаторы выполнены на основе европия, из водного раствора EuCl₃, вливаемого в пластиковую кювету, на дно которой уложена фильтровальная бумага, облучение образца происходит в течение 9-12 часов, измерение наведенной активности материала и индикаторной пластины - в течение 2-5 часов.

2. Способ оценки полного сечения взаимодействия материала с тепловыми нейтронами по п.1, отличающийся тем, что для определения первоначальной плотности потока нейтронов выполнена активация индикаторной пластины в отсутствии образца, длительностью 16 ч, с последующим измерением наведенной активности индикаторной пластины в течение 2 ч, и временем выдержки индикатора перед повторной активацией - не менее 3 сут.