Детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления Советский патент 1985 года по МПК G01T3/00 G01T1/34 

1 1 Изобретение, относится к измерени ядерных излучений и может быть использовано для получения нейтронных сечений и их отношений, необходимых для создания более экономичных ядер ных энергетических реакторов, в частности, реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, для более точ ных расчетов защиты от нейтронного излучения и т.п. Известен детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления lj, содержащий светоизолированные кристаллы NaJ(TI сложной конфигурации, которые жестко связаны между собой, и ()-конвертер, состоящий из смеси парафина и бора-10. Конвертер предназначен для преобразования нейтрона в -квант и служит защитой кристаллов NaJ(TJ) от нейтронов, рассеянных на исследуемом образце, который вводится в центр детектора. Детектор имеет 41|-геометрию. Идентификация актов захвата и деления основана на спектрометрии множественности -квантов и нейтронов, образующихся в этих актах. Однако эффективность регистрации таким детектором актов захвата и деления, а также точность идентификации этих актов весьма невысоки. Причиной этого являются в конечном итоге жесткая связь между светоизолированными кристаллами и форма послед них. Наиболее близким по своей технической сущности является детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления 2 , Имеющий область пропускания нейтронов, содержащий не связанные между собой сцинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя. В качестве сцинтиллятора использованы кристаллы NaJ(T5I) . Кристалл каждого сцинтиблока имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Сцинтиблоки собраны в АТ-геометрии. Между сцинтиблоками и областью через которую проходит пучок нейтронов, вызывающих акты захвата и деления в исследуемом образце, помещаемом в центре детектора, размещен (П- jj)-конвертер, состоящий из смеси парафина и бора-10. Он предназна чен для преобразования нейтрона в гамма-квант и служит защитой кристал 62 лов NaJ(TP) от рассеянных на исследуемом образце нейтронов (т.е. с его помощью исключается регистрация актов рассеяния). Идентификация актов захвата и деления основана на спектрометрии множественности гаммаквантов и нейтронов, образующихся в этих актах. Причем нейтрон регистрируется по гамма-кванту с энергией 480 кэВ, образующемуся при захвате нейтрона ядром бора-10. Однако эффективность регистрации с помощью указанного детектора актов- захвата и деления, а также точность идентификации этих актов недостаточно высоки. Это является следствием использования ()-KOHвертера, которое приводит к частичной потере числа и энергии гаммаквантов, зьшетающих в актах захвата и деления и регистрируемых кристаллами NaJ(Ti). Этот недостаток особенно сильно проявляется в области энергий, вызывающих акты захвата и деления нейтронов выше нескольких кэВ, когда для надежного исключения регистрации актов рассеяния необходимо использовать достаточно толстый (10 г/см) конвертер. Целью изобретения является повышение эффективности регистрации актов радиационного захвата нейтрона и деления, а также точность идентификации этих актов. Для достижения указанной цели в детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтрона и деления, имеющий область пропускания нейтронов, содержащий не связанные между собой сдинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя, между кристаллическими сцинтилляторами и областью пропускания нейтронов, вызывающих акты радиационного захвата и деления, расположен водородсодержаш й жидкий С1;интиллятор, в который введено вещество, погло щающее нейтроны, и который разделен на светоцзолированные секции, каждая из которых оптически соединена со своим фотоумножителем, причем секции с жидким сцинтиллятором имеют одинаковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора, а также тем, что в качестве вещества, поглощающего нейтроны, использован триметилборат.

Количество водородсодержащего жидкого сцинтиллятора и введенного в него триметилбората выбрано так, чтобы не допустить попадания в кристаллические сцинтилляторы нейтронов, вылетающих из исследуемого образца. . .

Использование жидкого сцинтиллятора, удовлетворяющего указанньм требованиям, дает возможность увеличить эффективность регистрации гамма-квантов, увеличить эффективность регистрации нейтронов, так как нейтрон (в частности, нейтрон деления) может быть зарегистрирован как по протону отдачи, образукицемуся при рассеянии нейтрона на ядре водорода, так и по гa e a-квaнтy, образующемуся при захвате замедляющегося в жидком сцинтшшяторе нейтрона ядром бора, содержащегося в триметилборате, увеличить эффективное Число секций детектора, практически исключить регистрацию актов рассеяния. В результате повышается эффективность регистрации актов захвата и деления, а также точность идентификации этих актов.

На фиг.1 схематически представле общий вид детектора; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1$ на фиг.З - принци использования детектора и его рабоTaJ на фиг.4 - результаты измерений проведенных с помощью прототипа и предложенного детектора.

Детектор содержит сцинтиблоки 1 на основе кристаллов NaJ(Tl) 2, область 3, через которую проходит пучок нейтронов, вызывающих акты захвата и деления, пучок нейтронов 4, вызывающих акты захвата и деления, секции 5 с жидким сцинтиллятором, водородсодержищий жидкий сцинтил- ,, лятор 6, фотоумножители 7, исследуемый образец 8, гамма-квант 9, образующийся в актах захвата и деления, нейтрон 10, образующийся в актах деления и рассеяния, вторич-. ный гамма-квант 11, образующийся при захвате нейтрона ядром бора, протон отдачи 12, образующийся в процессе замедления нейтрона при рассеянии на ядрах водорода.

На фиг.1 кривая 13 - спектр множественности спонтанного деления (распределение числа частиц,яс1313364

пускаемых в акте деления) калифорния-252, измеренный с помощью прототипа, кривая 14 - спектр множественности спонтанного деления кали5 форния-252, измеренный с помощью предлагаемого детектора.

Предложенный детектор содержит не связанные между собой сцинтиблоки 1 на основе кристаллов Na(TI) 2. 10

Кристалл каждого сцинтиблока вьшолнем в виде прямоугольного параллелепипеда. Соседние сцинтиблоки расположены вплотную друг к другу. кристаллами 2 и областью 3, через которую

15 проходит пучок нейтронов 4, расположены светоизолированные секции 5. В водородсодержа1ций жидкий сцинтиллятор 6 введен триметкпборат. Сцинтиллятор каждой секции оптически соеди20нен со своим фотоумножителем 7. Секции имеют одинаковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора. В собранием вцде детектор имеет 4 -геометрию.

25

В качестве жидкого сцинтиллятора с введенным в него веществом,.поглощающим нейтроны, служит стандартный жидкий сдинтиялятор с введенньм в него триметилборатом, причем

30 минимальная толщина этого раств ора в направлении, перпендикулярном продольной оси детектора, составляет 15-30 см.

Опытным путем была найдена тол5 щина этого раствора, равная см при регистрации нейтронов с энергией ЕП и 700 кэВ; 22 см при 0,7 МэВ ЕГ, 1 j 1 МэВ и 30 см при 1,1 МэВ Еп S Т,4 МэВ.

0

Принцип работы и использования детектора следующий.

Исследуемый образец 8 вводится

в центр детектора. Детектор устанавливается на коллимированный пу5чок нейтронов 4, который падает на исследуемый образец 8, установленный в области, через которую проходит пучок нейтронов, и вызьшает в нем акты захвата, деления и рассея11ИЯ. При этом в образце 8 образуются амма-кванты 9 и нейтроны 10, которые вьшетают из образца 8 и попадают в сцинтилляторы 2 и 6. Гамма-кванты

9 регистрируются сцинтиблоками 1 55 и секциями 5. Нейтрон 10, если он медденный (рассеянный на исследуемом образце 8 низкоэнергичный нейтрон пучка 4), попадает в сцинтил51

лятор 6 и захватывается ядром бора содержащегося в триметилборате, образуя при этом вторичньй гаммаквант 11 с энергией 480 кэВ,которьй регистрируется секциями 1 и 5. Быстрые же нейтроны 10 (нейтроны деления, рассеянные на исследуемом образце 8 высокоэнергичные нейтроны пучка 4), попадая в сцинтиллятор 6, замедляются в нем, рассеиваясь на ядрах водорода, захватываются ядрами бора и регистрируются как в

секциях 5 (по протонам отдачи 12), так и в секциях 1 и 5 по вторичным гамма-квантам 11. Количество сцинтиллятора 6 и вводимого в него триметилбората выбрано так, чтобы в сцинтилляторе 6 поглотить практически все нейтроны 10 и тем самым исключить их попадание в кристаллы 2. Последнее необходимо для исключения регистрации актов рассеяния. Идентификация актов захвата и деления основана на спектрометрии множественности Х -квантов и нейтронов.

Предложенный детектор регистрирует у -кванты и нейтроны 6, образующиеся при взаимодействии падающих нейтронов с исследуемыми ядрами Идентификация актов захвата и деления основана на спектрометрии множественности вьшетающих из ядра частиц, которая различна для указанных актов, а именно, при захвате испускается в среднем 3-А -кванта, при делении - в среднем 7-8 V -квантов и 2-3 нейтрона.

Сцинтиблоки с кристаллическим сцинтиллятором и секции с жидким сцинтиллятором включаются на совпадения и измеряется распределение числа N зарегистрированных событий от кратности k совпадений. При этом исключаются события, регистрация которых сопровождается суммарным энерговыделением во всем детекторе t i 480 кэВ. Тем самым исключается регистрация актов рассеяния, так как при рассеянии образуется один нейтрон, который, попадая в водород с одержавши жидкий сцинтиллятор, замедляется в нем в процессе рассеяния на ядрах, водорода и захватывается ядром бора-10, содержащимся во введенном в жидкий сцинтиллятор триметилборате, испуская при этом один у -квант с энергией 480 кэБ.

13366

Из полученного распределения определяются числа зарегистрированных актов захвата и деления.

Измеренное распределение пред5 ставляет собой сумму двух распределений, одна из которых соответствует захвату, другая - делению. Эти составляющие распределения вследствие неидеальности детектора час10 тично перекрываются. Чем меньше степень их перекрытия, тем выше точность идентификации актов захвата и деления. Степень перекрытия уменьшается, если распределение, со1S ответствующее делению, смещается в сторону высоких кратностей совпадений и при этом в ту же сторону не смещается распределение, соответствукяцее захвату. Именно это и

20 достигается заявляемым детектором, что и показано на фиг.4 описания изобретения. Распределение, соответствующее делению, смещается в сторону высоких кратностей совпаде25 НИИ вследствие увеличения эффективного числа секций детектора (добавляются секции с жидким сцинтиллятором) , уменьшения паразитного поглощения -квантов деления в

30 детекторе и увеличения числа регистрируемых агентов деления (добавляется 2-3 протона отдачи, регистрируемых жидких сцинтиллятором). При этом распределение, соответствую щее захвату, не смещается, поскольку .для этого нет никаких предпосылок.

В качестве кристаллического сцинтиллятора используется NaJ(T.

40 Количество сцинтиблоков с этими кристаллами и их размеры должны быть такими, чтобы удовлетворялись следующие требования: число независимо работающих сцинтиблоков долж S но быть много больще числа частиц, вьшетающих из ядра в одном акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемым образцом; эффективность BIJI регистрации V -кванта с

50 энергией 1 МэВ (средняя энергия образующихся при захвате и делении у-квантов} кристаллом должна быть по мере возможности высокой (близкой к 100%); вероятность

55 регистрации у-кванта более чем

одним сцинтиблоком должна быть минимальной i сцинтиблоки должны быть одинаковыми. 7 Исходя из этих требований выбраны ч:ледующие значения числа сцинтиблоков и .их размеров: А. Детектор с жидким сцинтиллятором толщиной 15 и 22 см - число сцинтиблоков 32, размеры кристаллов 126 «126хЗООхмм. Б. Детектор с жидким сцинтиллятором толщиной 30. см - число сцинт блоков 48, размеры кристаллов 126 126х450хмм. При толщине кристаллов Na(TJ) 126 мм составляет . Увели чение размеров кристаллов с целью увеличения уменьшения (без уменьшения количества секций) приводит к неприемлемо большим зна чениям регистрируемого естественного фона. Число секций с жидким сцинтилля тором равно 16 по всех трех приведенных в описании изобретения примерах. Увеличение эффективности регист рации актов захвата и деления дост ,гается вследствие уменьшения паразитного поглощения в детекторе -квантов захвата и деления, так как поглощающий конвертер прототипа из смеси бора-10 и парафина заменяется сцинтиллирующим раствором Предложение позволяет повысить эффективность регистрации актов радиационного захвата нейтрона и д ления, а так7;.е точность идентификации этих актов. Фиг.4 наглядно демонстрирует преимущества предлагаемого детектора.Из нее видно, чт спектр множественности деления, из меренный с помощью предлагаемого .детектора (кривая 14), сдвинут вправо по сравнению со спектром множественности деления, измеренны с помощью прототипа (кривая 13). Такой сдвиг является результатом увеличения эффективности регистрации гамма-квантов, регистрации ней тронов секциями с жидким сцинтиллятором, а также увеличения эффективного числа секций детектора. Как следствие такого сдвига, точность идентификации актов захвата деления повьшается примерно в 23 раза. Повышение эффективности ре гистрации гамма-квантов и нейтроно приводит также к повышению эффекти ности регистрации актов захвата и ления. Например, эффективность ре68гистрации актов деления предлагаемым детектором составляет 95% по сравнению с 80%, достигнутыми на прототипе. Вследствие повышения точности идентификации актов захвата и деления, а также эффективности регистрации этих актов повьш1ается точность измерения сечений радиационного захвата и деления, а также их отношения. Предложение позволяет получить точности, необходимые для оптимизации ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, а также для оптимизации топливного цикла. С помощью предложенного детектора можно измерять с требуемой для указанной оптимизации точностью нейтронные константы основных топливно-сьфьевых материалов, например, величину альфа урана-235 и плутония-239 в области энергий нейтронов до - 1 МэВ, сечение радиационного захвата нейтронов ядрами урана-235, урана-238 и плутония-239 в этой же области энергий и т.п. Повышение точности измерения указанных величин до требуемых значений позволяет минимизировать запасы, закладываемые при конструировании активной зоны ядерных реакторов, их защиты, технических средств обращения с отработавшими тепловыделяющими элементами, при расчете загружаемого в реактор топлива и т.п. Сведение этих запасов к минимуму дает экономию больших материальных средств. За базовый объект выбран прото™ Технические преимущества заявляемого детектора в сравнении с базовым сле; ующие: 1) высокая эффективность регкстрации актов захвата и деления (эффективность регистрации актов деления составляет 95%) и отсутствие ощибки, связанной с незнанием этих эффективностей, 2) высокая точность идентификации актов захвата и деления (степень разделения актов захвата и деления выше в - 2-3 раза) . В результате точность измерения, например, сечения захвата основных топлйвно-сырьевых материалов повышается в- - 2-3 раза.

t

1. ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АКТОВ РАДИАЦИОННОГО ЗАХВАТА НЕЙТРОНОВ И ДЕЛЕНИЯ, имеющий область пропускания нейтронов, содержащий не связанные между собой сцинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления, а также точности идентификации зтих актов, между кристаллическими сцинтилляторами и областью пропускания нейтронов, вызывающих акты радиационного захвата и деления, расположен водородсодержащий жидкий Гсцинтиллятор, в который введено вещество, поглощающее нейтроны, разделенный на светоизолированные секции, каждая из которых (Л оптически соединена со своим фотоумножителем, причем секции с жидким сцинтиллятором имеют одина ковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора. 2. Детектор поп.1,отличающ и и с я тем, что в качестве поглощающего нейтроны вещества, введенного в жидкий сцинтиллятор, испольсо зован триметилборат. 00 00 О)

ч 5

3

т

Фиг J

А-А