Устройство для измерения потока нейтронов Советский патент 1992 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области исследований-космоса, предметом изучения которых является определение содержания редкоэемельньгх элементов (РЗЭ) и водородсодержащих минералов и космических объектах, например,на планете Меркурий, спутниках - Луне, Фобосе, Деймосе, астероидах и др. Если исследуемый космический объект лишен плотной атмосферы, то определ кие указанных компонентов может быт осуществлено дистанционно с автоматического аппарата при пролете вбли JH объекта. Слои лород, содержащих РРЗ или водород, могут быть обнаружены как на поверкностй, так н под слоем реголитап

Устройство может найти применени в других областях науки и техники, связанных: с измеранием потока нейтронов, ,

Цель изобретения увеличение информативности, точности и чувствительности измерений.

Известно, ЧТО космические, тела.., лишенные атмосферы, облучаются га- ла1 :ти11ескими и солнечными космичес- .кими лучами, Т.е. внев ними источни,:Г.:.. .-, -/,-;Л ;;5ЫА иуКЛТ- л5СЧ (npOTGKCstj

. -частиц и дро) В реэул ьтатг лдер- пого взаимодействия в породе пример

но .до глубины 50

рительные нейтроны, котопьк мзВ; .

возникают испз средняя экергия

Часть образующиксп испарительных лзйтронов.; претерпевшая многократныё

: :1ругие и пеупругие столкновения с атомными ядрами (вплоть до глубины 200 г/см ), вылетает с поверхности породы. Энергетический спектр выпе- таищих нейтронов не зависит ни от плотности породы, ни от интенсивнос- ти космических .лучей, а определяется элементным составом породы, в перв ую : очередь, элементами, эффективно замедляющими и захватывающими нейтроны., Изменение содержания в породе таких

элементов сильно меняет соотношение . интен.сивностей .потоков нейтронов в р,1зличньпс энерггтических группа х. Присутствие в породе воды резко увеличивает поток тепловых и эпитепло- вых нейтронов и уменьшает поток быстрых нейтронов. Соотношение потоков тепловых, эпитеплоВых и быстрых нейтронов меняется в 2-3 раза. Иалич.ие же в породе элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов

в тепловой или эпитепловой области , - резко уменьшает потоки нейтронов в указанных областях энергий, не приводя к изменению потока быстных нейт- ронов вблизки поверхности породы.

Чувствительность определения содержания воды в породе с помощью- предлагаемого устройств.а - 0,5%, а общего содержания элементов с боль- шим сечением захвата тепловых и эпи- тепловых нейтронов - около 0,D1% эквивалентного содержания бора.

Для получения большей информативности измерений производится регистрация нейтроннгх потоков трех диапазонов энергии: быстры : tO мэВ, эпитепловьгх 0,4 эВ - 200 эВ и теп- лозык - менее О,А эВ„ При использо- вании системь экранов., поглотаюяик тепловые и эпитепловые нейтроны, воз5

можно дискретно регистрировать указанные энергетические группы. Заэкрани- роваться от потока быстрых нейтронов значительно .с.пожнее. Достаточно хорошей защитой, которая снизит поток яейтроков в интервале энергий 0,1 - 2 мэВ в 5-10 раз., является слой бори- рсзаняого полиэтилена толщиной около . /О г/см,. Использованке на космячес- Ko.v; аппарата такого замедлителя, иа- гфимер бака с горючим толщиной в 20- 25 г,/см 5 гтожет дополнительно снизить этот поток в 2-3 раза,.

В открытом космосе вклад быстрьк

55 нейтронов в скорость счета фона ме- Heis 5% от общей скоропти счгта импуль- сов счетчика медленньтх нейтронов. Остальной фон составляет заряженные . чacтип Is энерговыделение которьк в

0 счетчиках 0,3-1,0 мэВ (энергетический интервал, необходимый для вьщеле- ния медленных нейтронов за счет реакции nIHe T-s-P) . Такае знерговьщеле- пие дают как релятивистские первичные 45 ядра космического излучения тяжелее углерода, так и сильноионизирующие кизкоэнергетичные продукты ядерных реакций (протоны, А -частицы, фрагменты) , Скорость счета, обусловленная

Q этими частицами.;, сравнима со скорс- ст.ью .счета межденных нейтронов. За- экранироваться от космических частиц, имеющих среднюю энергию около 10 гэВ, и продуктов их ядерных реакций с по-

55 мощью пассивной .защиты приемлемых

размеров не представляется возможным.

Исключение фона всех частиц, не обусловленных нейтронами выделенных

энергетичес ких групп, пьтолияется с помощью гл стемы экранов и фш17,тров, которые практи тески совпядают как ,по своим ядериьм характеристикам (сечениям и энергетическим спектр-ам образующихся в цих заряженных -частиц и нейтронов), так и по замедляющим характеристикам, но очень сильно отличаются по способности пропускать нейтроны выде.пенных энергетических групп,. . .

Кадмий толп1иной 0,8 мм поглощает нейтроны с О,А эВ, кадмий в сочетании со сл.оем бора толщиной около

,

2 г/см - поглощает нейтроны с энерг ией до 100 эВ. Нор и углерод по своим я;дериым характеристикам и замедляю- |щей способности практическ-и TeFiTH4- ны, fio углерод тол1дино-й 2 г/см прозрачен для нейтроно..в. Поэтому разность показаний вто1),ой и п.рвой группы счетчиков нропорциоиальна только 1 отоку нейтронов в интервале энергий 0,4-tOO эВ, причем г ейтроны в указанном интеррале энергий. 1егистриру- ются только со сторО}1ы (фильтра (окна) из углерода. По aнa.rJoгичнь соображениям при вычитании ПоказаниГ четвертой и третьей групп получим ве.чи- ч;1ну5 пропорциональиуго потоку нейтронов с Е 0,4 эВ со стороны ололзя н- .ного -окна, а разность гкжазаиий шестой пятой групп 11ронорционал)яга потоку HeirrpCfHoij в инте эвале энергий около 0,1-2 Mii5

Совокупность существенных г;-ризна- ков предлагаемого измерите. иг потока .нейтронов, предназпаченрюго для ус- тан овки его на автоматических косми,. «5

20

25

30

Устройство для измepet ия потока нейтронов, схематично изображенное на фиг. 1 содержит корпус 1, внутри которот о размещены счетчики 2 теп.ло- вых нейтронов,, замедлитель 3 и блок электроники регистратора 4. Корпус 1 выполнен из материапов, обладающих минимальным атомным весом, например из а.пюминиевых или титановых сп.чавов. В качестве замедлителя 3 oжeт быть использован полиэтилен, парафин, а также любое водородсодержащее вещество. Назначение замедлителя 3 - замедпить быстрые нейтроны до теп ло- вых энергий., т.е. мапее 0,4 .эВ. Это позволяет использовать в качестве детекторов быстрых нейтронов счетчи- ки 1 едлепн1 ; , neiVrpOHOB, нaпpи tep CFIM- 7 . Все C4eTtniKn 2 сгруппиро.ваиь( в шесть грутп, из которых четыре rpynni.i 5, 6, 7 и 8 расположены в периферийной плоскости 9 и две -группы 10 и t1 - в пара.цлельной ей центральной плоскост.и. f2, PaccTo ;inie от счетчиков 2 групп, 5, 6, 7, 8 до блнжай-. П1сй стенки корпуса 1 меньше, а от. счетчиков 2 групп Ш и 1Г - больше длины зaмeдлитeJ;я нейтрона. Каждая ИЗ групп окружена, экранами-, вьпюлпеняыми для группы 5 - из кадмия 13 и бора 14 массой. 1-2 г/см« , для группы 6

35

из кадмия 15 и бора, с графитонь;м окном 17, эквивс1леитным по пы 7,- из из кадмия

массе г/см бору 14. для груп - кадмия 18, для группы 8 - 19 с окном из олова 2.0, эквивалентным по массе.г/см кадмизо ческих аппаратах, обеспечивает perncT:fO 18, для группы Ш - из кадмия 2,для

группы 11. - из олова 22 эквивалентным по массе г/см кадмиро 21,

Экраны из бора 14 и 16, а также 45 графитовое окно -17 выпохп-юны из по- ропгка., зась панного между экранами из .,кадмия 13 и 15 п внешней оболочкой 23, выполненной из материала,, аиало- гичного материалу корпуса 1,.напри- 50 мер из алюминиевого сплава. Экран из .бора 16 и графитовое окно 17 разделе- ны перегородками 24, Группь 3,6,7 и 8 размещены в корпусе 1 со стороны измеряемого .потока 25 нейтронов от 55 исследуемого объекта. Для регистрации результатов измерений все группы 5,6,7,8,10 и 11 подключены к регистратору 4, содержащему три компаратора 26, 27 и 28,- два блока деления 29 и

рацию к измере1 ие нейтроно-в всех энергетических групп - тепловых, эпич епло.вых и быстрых, позволяет получить результаты измерений без влияния фона-космических частиц за счёт предложенного объединения счетчиков в - группы с. указанным экранированием и за счет нр едложе}шых функциональ-, ных схем обработки сигналов счетчи.КОВо .

На фиг„ 1 схематично изображены предлагаемо устройство и фупкцио-,. .нальная схема подключения групп счетчиков; на фиг, 2 изображен вариант функциональной схемы компаратора; ка фиг. 3 изображен вариант конструктивного выполнения устройства; на . фиг. 4 - то же, .разрез А.-Л на фиг.З

УПЧ85(пог ернуто) ; на фиг.

W

й )

,. «5

20

25

30

5 - то же,разрез Б-Б на фиг. 3- (г орернуто) .

Устройство для измepet ия потока нейтронов, схематично изображенное на фиг. 1 содержит корпус 1, внутри которот о размещены счетчики 2 теп.ло- вых нейтронов,, замедлитель 3 и блок электроники регистратора 4. Корпус 1 выполнен из материапов, обладающих минимальным атомным весом, например из а.пюминиевых или титановых сп.чавов. В качестве замедлителя 3 oжeт быть использован полиэтилен, парафин, а также любое водородсодержащее вещество. Назначение замедлителя 3 - замедпить быстрые нейтроны до теп ло- вых энергий., т.е. мапее 0,4 .эВ. Это позволяет использовать в качестве детекторов быстрых нейтронов счетчи- ки 1 едлепн1 ; , neiVrpOHOB, нaпpи tep CFIM- 7 . Все C4eTtniKn 2 сгруппиро.ваиь( в шесть грутп, из которых четыре rpynni.i 5, 6, 7 и 8 расположены в периферийной плоскости 9 и две -группы 10 и t1 - в пара.цлельной ей централь ной плоскост.и. f2, PaccTo ;inie от счетчиков 2 групп, 5, 6, 7, 8 до блнжай-. П1сй стенки корпуса 1 меньше, а от. счетчиков 2 групп Ш и 1Г - больше длины зaмeдлитeJ;я нейтрона. Каждая ИЗ групп окружена, экранами-, вьпюлпеняыми для группы 5 - из кадмия 13 и бора 14 массой. 1-2 г/см« , для группы 6

35

из кадмия 15 и бора, с графитонь;м окном 17, эквивс1леитным по пы 7,- из из кадмия

ма эквивален 18, для г

30 и два функциональных преобразователя 31 И 32. Для регистрации эпи- теплрвых нейтронов группы 5 и 6 подключены к компаратору 26. Для регистрации теплопых нейтронов группы 7 и 8 подключены к компаратору 28. Для регистрации быстрых нейтронов группы 10-и 11 подключены к KOMitaparopy 27, Входы блока 29, предназначенного для

еГо изготовления и сборки, вьшолне- ны полости для размещения в них счет чиков 2, объединенных в группы 5,6, 7,8, 10 и 11, а также для разм ещения 5 электроники блоков регистратора 4.

Группы 5,6,7 и 8 крепятся к замедлителю 3 с помощью скоб 47, изготовленных из материала, аналогичному корпуса 1, т.е. из материала на осно

исюгючения влияния временных варийЦийШ ве алюминия или титана. Группы 10 и космического излучения, соединенным 11 закреплены с помощью заглушек 48. с компараторами 26 и 27, а блока 30 - с компараторами 27- и 28. Выход блока 29 соединен с входом преобразователей

На кронштейне 45 размещен датчик да ления 49, а на крышке 44 - герметичные разъемы 50 для ввода электропит

31 и 32, а блока 30 - с входом преоб-t5 ния и съема информации, разователя 32. Выход 33 преобразователя 31 служит для информации, характеризующей содержание воды в исследуемом объекте,. Выход 34 преобДля увеличения чувствительности измеритель должен быть размещен на космическом аппарате со стороны сло водородсодержащего материала толщиразователя 32 служит для съема инфор-20 ной не менее 20-50 г/см, например.

25

мации об эквивалентном по бору содержании элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов.

Учитывая идентичность компараторов 26, 27 и 28, рассмотрим их на приме ре компаратора 26 (см. фиг. 2),содер--. жащего два накопителя 35 -и 36...входы которых через преобразователи 37 и . 36 соединены с группами 5 и 6 соот ветственнОу а выходы с блоком вычитания 39, на выходе которого фор30

бака с топливом.

Измеритель потока нейтронов работает следующим образом

Для выпольения измерений плоскост 9 до.пжна быть ориентирована параллел но поверхности исследуемого объекта. Поток нейтронов 25 с поверхности исследуемого космического объекта, а также фоновое космическое излучение и излучение космического аппарата, на котором установлено устройство дл измерения потока нейторов, достигают Поверхности устройства. Нейтроны про никают через корпус 1, материал кото

Для выпольения измерений плоскость 9 до.пжна быть ориентирована параллель- но поверхности исследуемого объекта. Поток нейтронов 25 с поверхности исследуемого космического объекта, а также фоновое космическое излучение и излучение космического аппарата, на котором установлено устройство для измерения потока нейторов, достигают Поверхности устройства. Нейтроны проникают через корпус 1, материал кото

мируется вьпходной сигнал. Для синхро- низа1даи преобразователи 37, и ,38 и блок 39 подключены к генератору так- ToBbix импульсов 40. Назначение преоб- .35 рого не оказывает влияния на поток, разователей 37 ..и 38 согласовать вы- и достигают замедлителя 3. В замед- , сокое, выходное сопротивление счетчи- . , лителе 3 быстрые нейтроны энергий- ков 2 с низким входным сопротивле- 0,1-2 мэВ замедляются,до энергий нием последующих цепей, сформировать ,тепловых нейтронов, т.е. менее, чем .выходной снгнал э который пропордио- JO 0,4 эВ, а тепловые нейтроны им погло- 1иален количеству импульсов, эарегист- ,ся. Быстрые нейтроны, проникающие в корпус 1,со стороны космического объекта, не р егистрируютоя счетчиками 2 групп 5,6,7 и 8. Группа -5 45 регистрируется только быстрые нейтроны энергий более 1Т)0 эВ и заряженные частитц. космичесного излучения со . всех направлений, кроме объекта.

рированных- группой в соответсл- вующем энергетическом диапазоне. Компараторы 26, 27 и 28 имеют выходы 41, Пример конструктивного выполнения устройства показан на- фиг. 3, -4 и

,5, при.этом на внутренней поверхности корпуса 1, имеющего форму по. лого усеченного ципиндра, расположе™ ны ребра жесткости 42, вьшолняющие одновременно функции направляющих, К Корпусу 1 через уплотнительную пр.О шадку 43 крепится крьпака 44, -на которой с.помощью кронштейна 45 закреплен замедлитель 3, имеющий ;продольные пазы 46, сопрягаемые с ;ребрами 42. В замедлителе 3, который сможет, быть выполнен монолитным или

..составным, что связано с удобством

.Группа 6 дополнительно к тому, что - 50 регистрирует группа 5, регистрирует нейтроны энергий больще 0,4 эВ. На выходе 41 компаратора 26 после вычитания сигналов с групп 5.и 6 в блоке 39 получается скорость счета 55 нейтронов только в интервале 0,4- 100 эВ и только со стороны окна 17, т.е. от исследуемого космического объекта. Группа 7 регистрирует нейтроны энергий более 0,4 эВ и фоновые

еГо изготовления и сборки, вьшолне- ны полости для размещения в них счетчиков 2, объединенных в группы 5,6, 7,8, 10 и 11, а также для разм ещения электроники блоков регистратора 4.

Группы 5,6,7 и 8 крепятся к замедлителю 3 с помощью скоб 47, изготовленных из материала, аналогичному корпуса 1, т.е. из материала на основе алюминия или титана. Группы 10 и 11 закреплены с помощью заглушек 48.

На кронштейне 45 размещен датчик давления 49, а на крышке 44 - герметичные разъемы 50 для ввода электропитания и съема информации,

ния и съема информации,

Для увеличения чувствительности измеритель должен быть размещен на космическом аппарате со стороны слоя водородсодержащего материала толщи

бака с топливом.

Измеритель потока нейтронов работает следующим образом

Для выпольения измерений плоскость 9 до.пжна быть ориентирована параллель- но поверхности исследуемого объекта. Поток нейтронов 25 с поверхности исследуемого космического объекта, а также фоновое космическое излучение и излучение космического аппарата, на котором установлено устройство для измерения потока нейторов, достигают Поверхности устройства. Нейтроны проникают через корпус 1, материал кото

рого не оказывает влияния на поток, и достигают замедлителя 3. В замед- , лителе 3 быстрые нейтроны энергий- 0,1-2 мэВ замедляются,до энергий ,тепловых нейтронов, т.е. менее, чем 0,4 эВ, а тепловые нейтроны им погло- ,ся. Быстрые нейтроны, проникающие в корпус 1,со стороны космического объекта, не р егистрируютоя счетчиками 2 групп 5,6,7 и 8. Группа -5 регистрируется только быстрые нейтроны энергий более 1Т)0 эВ и заряженные частитц. космичесного излучения со . всех направлений, кроме объекта.

.Группа 6 дополнительно к тому, что 50 регистрирует группа 5, регистрирует нейтроны энергий больще 0,4 эВ. На выходе 41 компаратора 26 после вычитания сигналов с групп 5.и 6 в блоке 39 получается скорость счета 55 нейтронов только в интервале 0,4- 100 эВ и только со стороны окна 17, т.е. от исследуемого космического объекта. Группа 7 регистрирует нейтроны энергий более 0,4 эВ и фоновые

частицы. Группа 8 дополнительно к тому, что регистрирует группа 7, регистрирует нейтроны энергий до 0,4 эВ На выходе 41 компаратора 28 после вычитания в блоке 39 получается ско рость счета, обусловленная только нетронами энергий не более 0,4 эВ и только со стороны окна 20, т.е. от исследуемого космического объекта. Счетчики 2 группы 10 регистрируют замедлившиеся в замедлителе 3, толщиной около 5 г/см -, нейтроны с энергией более 0,4 эВ (в основном эпи тепловые) и фоновые заряженные частицы. Счетчиками 2 группы 11 регист-

рируется то же, что и группой 10, а также те нейтроны, которые прошли не только слой замедлителя 3, но и слой кадмиевого экрана 21 и .замедлились до энергии тепловых нейтронов т.е. до энергии менее 0,4 эВ, На.выходе 41 компаратора 27 после вычита- ния в блоке 39 получается скорость счета, обусловленная нейтронами в энергетическом интервале вьшк; 0,1мэВ не обусловленная скоростью счета фоновых частиц.

С целью исключения пременлой ньип ределенности, обусловленной кратковременными вариациями космического излучения, рассматриваются не абсолюные значения 5 а отношение числа импульсов на .выходах компараторов nocjs вычитания фо:1а„ Отношение чисгга им- пульсов на выходах компараторов 26 } 27 после деления в блоке 29 и обработке в функциональном преобразователе 31, темп выхода 33-соответствуе только содержанию водорода в породСз т«е„ определенному значению влаяаюс- ти. На выходе 34 отноигение числа выходных; импульсов компараторов 27 и

28 после деления их в блоке 30 и обработки в функциональном преобразователе 32 при фиксированном значении влажности является только функцией содержания -в породе элементов сильно захватывающих медленные нейтроны.Абсолютное содержание этих элементов может быть очень малым и другими методами, например )f при рентгеновской спектрометрией, их определить не удается.

Положительный эффект предложенного измерителя заключается в том, что предложенное сочетание групп счетчиков с указанным их экранированием, а также предложенные схемы обработки информации ПОЗБО.ПЯГОТ исключить влия- ние на результаты измерений фона кос- мическ1тх лучей и увеличить .информат- тивность .измерений. Это обеспечено измерением одним прибором .трех энep гетических групп нентроИов: теп.повых, надтепловых и быстрых .от исследуемого объекта, что обеспечивает как определение со/держания воды, так и суммы 3J.teMeHToB с бо.пьшим захва.та тепловых нейтронов, а также увеличить чуветвительность прибора. Это достигается тем, что для определения с.одер- жания элемептов, эффективно замедляю- щнх и захватыгзающих нейтроцы, используются характеристики отношений потоков в двух функциональных преобразователях. При этом зависимости отиоше. ннй потоков от содержания в породе данных элементов является более резко меняющимися и устойчивыми функциями, чем зависимости потоков от содержания элементов „

Использование предложенных техни- ческих решений увеличивает чувствительность в несколько раз.

2

//

mjyuuumLOjjuijJLii L

.ri,i4

sw&SSSS55$ &55SS i555SS9S S 5u45S5S2ft

)ffiK y

I . I . ,

Ш1 II . . IfjTT

Sj S } -QOp V ig ; S t X fX

4 4

Cftuf.3

/ Т

A A

6

-5

J

//

47

фис.5

Составитель Б. Рахманов Редактор Т. Фельдман Техред И.Попович Корректор Г. Решетник

Заказ 2437Тираж : Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва,Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4