СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ В ПУЧКАХ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений, а именно плотности потока тепловых нейтронов от источников, создающих направленные и широкие пучки, используемые в нейтронной технике и метрологии нейтронного излучения.

Известны активационные способ измерения и детекторы тепловых нейтронов, применяемые для измерения плотности потоков тепловых нейтронов как в диффузных полях, так и в широких и направленных пучках нейтронов. Способ базируется на рекомендованных компилированных справочных данных по нейтронным сечениям детекторов и заключается в активации материала детектора с известным сечением взаимодействия с нейтронами определенных энергий, а затем в измерении в нем наведенной активности, по величине которой определяется плотность потока нейтронов.

Недостатком этих способа и устройства при их применении для измерений плотности потоков тепловых нейтронов ϕ_т в пучках является недостаточная чувствительность к малым потокам тепловых нейтронов, большое время, требуемое для облучения и измерения, и трудоемкость при обработке результатов измерения. В направленных пучках нейтронов от источников с выходом до 10⁷ н/c в замедлителях их удается применять только на малых расстояниях (до 0,4 м) от источников (при ϕ_т > 100 н/см ˙ с).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является техническое решение, в соответствии с которым определение плотности потоков тепловых нейтронов в широких и направленных пучках осуществляют путем регистрации скоростей счета импульсов от нейтронов в пучках без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном с помощью устройства детектирования, содержащего газоразрядный счетчик с НЕ³-наполнением, частично кадмированный, в полиэтиленовом замедлителе нейтронов, соединенный последовательно с цепью усилителя, дискриминатора, регистратора. Устройство детектирования предварительно градуируют по чувствительности, измеряя разность скоростей счета импульсов без и с кадмиевым экраном на образцовых установках (например, с шаровым замедлителем или УКПН-1М), аттестованных по плотности потока тепловых нейтронов ϕ_т с применением активационных детекторов.

Недостатком этого технического ре- шения является то, что устройства детектирования требуют трудоемких предварительных градуировок на дорогостоящих образцовых установках, а после этого могут использоваться только для относительных измерений неизвестных полей тепловых нейтронов, строго говоря, близких по характеристикам к полям от использованных образцовых установок, т.е. способ имеет ограниченную область измерения, в которой результаты измерения достоверны.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений ϕ_т и расширение диапазона измерения ϕ_т в область малых значений (по сравнению с активационным способом). Это позволяет применять предлагаемые способ и устройство в более широкой области различных полей тепловых нейтронов за счет обеспечения условий для абсолютных измерений.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения плотности потока тепловых нейтронов в пучках нейтронного излучения с помощью газоразрядного Не-3-счетчика, включающем измерение скоростей счета импульсов от нейтронов без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном, формируют с помощью кадмиевого коллиматора с окнами узкий коллимированный пучок тепловых нейтронов заданного сечения, пропускают его последовательно через Не-3-поглотитель, одинаковый по поглощающей способности со счетчиком, и через счетчик без Не-3-поглотителя в диаметральной плоскости счетчика, измеряют скорости счета импульсов без кадмиевого экрана без Не-3-поглотителя n₁ и с Не-3-поглотителем n₂ и скорости счета импульсов с кадмиевым экраном без Не-3-поглотителя n₃ и с Не-3-поглотителем n₄, определяют плотность потока тепловых нейтронов ϕ_т, испускаемых поверхностью источника тепловых нейтронов, сформированной окнами коллиматора и кадмиевым экраном как
ϕ_т= где S_к.п - сечение коллимированного пучка тепловых нейтронов,
K_п= 1 - - коэффициент поглощения тепловых нейтронов Не-3-поглотителем в коллимированном пучке сечением S_к.п., равным площади окон коллиматора.

Цель достигается и тем, что в устройство для определения плотности потока тепловых нейтронов в пучках нейтронного излучения, содержащее измерительный Не-3 газоразрядный счетчик, соединенный последовательно с цепью из усилителя, дискриминатора и регистратора импульсов, и кадмиевый экран, дополнительно введены Не-3-поглотитель и кадмиевый коллиматор-держатель Не-3-поглотителя с двумя узкими коллимирующими окнами сечением S_к.п, размещенный на конце измерительного счетчика и образующий вместе с кадмиевым экраном формирователь узкого коллимированного направленного пучка тепловых нейтронов, одинакового по направлению, размерам поперечного сечения и пробегам в измерительном счетчике и в поглотителе.

Кроме того, цель достигается также тем, что в качестве Не-3-поглотителя использован съемный Не-3-счетчик, одинаковый по поглощающей способности тепловых нейтронов и диаметру с измерительным счетчиком.

Предложенные последовательность операций, выбор условий формирования пучка нейтронов и условий измерений и конструкция блока детектирования позволяют формировать пучок тепловых нейтронов так, что число сосчитанных счетчиком тепловых нейтронов равно числу нейтронов, поглощенных столбиком из Не-3 сечением S_к.п и диаметром, равным диаметру счетчика, - (n₁-n₃)-(n₂-n₄), что, в свою очередь, с учетом коэффициента поглощения К_п дает число падающих нейтронов от поверхности замедлителя источника нейтронов, площадь которой S_тени образована окнами коллиматора и кадмиевым экраном и определяется геометрическими размерами окна коллиматора S_к.п и расстоянием r детектора от поверхности источника. Все это создает условия для использования известной методики пропускания и, следовательно, обеспечивает абсолютные измерения, тем самым повышает достоверность измерений ϕ_т и расширяет диапазон измерения в сторону малых значений.

Предложенное устройство детектирования и его расположение относительно источника нейтронов представлено на чертеже.

Устройство содержит измерительный Не-3-счетчик 1, кадмиевый экран 2 измерительного счетчика 1, кадмиевый коллиматор-держатель 3 Не-3-поглотителя 4 с окнами 5, кадмиевый экран 6, последовательно соединенные с выходом измерительного счетчика 1 усилитель 7, дискриминатор 8 и регистратор 9, и источник тепловых нейтронов 10 в замедлителе 11.

Измерительный счетчик 1, его кадмиевый экран 2, кадмиевый коллиматор-держатель 3 и Не-3-поглотитель 4 образуют блок детектирования 12.

В качестве Не-3-поглотителя 4 выбран дополнительный Не-3-счетчик, одинаковый по поглощающей способности тепловых нейтронов и по диаметру с измерительным счетчиком 1.

Замедлитель 11 может быть шаровым или в виде графитовой призмы.

В качестве источника тепловых нейтронов 10 может быть также использована установка УКПН-1М.

Окна 5 коллиматора-держателя 3 расположены относительно измерительного счетчика 1 так, чтобы в их сечение S_к.п не попадали торцевые элементы держателя нити измерительного счетчика 1, а ширина окна 5 коллиматора-держателя 3 при использовании в качестве измерительного счетчика типа СНН-16 ((⊘ 18 mm) 18 мм) не превышала 0,3 0,3 ⊘ счетчика.

Измерение плотности потока тепловых нейтронов в направленных пучках тепловых нейтронов осуществляется следующим образом.

Блок детектирования 12 устанавливают в точке вне источника 10 нейтронов, в которой необходимо измерить плотность потока тепловых нейтронов. С требуемой статистической точностью (1,2-1,5%) измеряют скорости счета импульсов на выходе измерительного счетчика 1 без кадмиевого экрана 6 без Не-3-поглотителя 4 - n₁; без кадмиевого экрана 6 с Не-3-поглотителем 4 - n₂; с кадмиевым экраном 6 без Не-3-поглотителя 4 - n₃; c кадмиевым экраном 6 с Не-3-поглотителем 4 - n₄.

При этом сигнал с выхода измерительного счетчика 1 усиливают в усилителе 7, дискриминируют по амплитуде в дискриминаторе 8 и выводят на регистратор 9.

По кадмиевым разностям
n₁ - n₃ = Δ n_(1-3)
n₂ - n₄ = Δ n_(2-4)
Δ n_(1-3)-(2-4) = Δ n_(1-3)- Δ n_(2-4), используя известный метод пропускания нейтронов в направленных пучках, определяют значение пропускания Т тепловых нейтронов Не-3-поглотителем 4 по формуле
T = , коэффициент поглощения Не-3-поглотителем 4 как К_погл = 1 - Т и коэффициент поглощения измерительным счетчиком 1
K_{погл(изм)}= K_погл где = K - отношение поглощаю- щих способностей измерительного счетчика 1 и Не-3-поглотителя 4, определенных экспериментально. Значение плотности потока тепловых нейтронов ϕ_o.т, проходящих через сечение переднего и заднего окон 5 коллиматора-держателя 3 площадью S_к.о от "излучающего пятна" поверхности источника тепловых нейтронов, вырезаемого телесным углом окон 5 коллиматора-держателя 3, через К_{погл(изм)} - K_ε^I K_погл. определяется по формуле
ϕ_о.т=
Экспериментальная проверка способа и работы устройства детектирования на основе РПН-07 со счетчиками СНМ-16 с S_к.o = =0,405 см²(размер окон 8 х 5,06 мм) при экспериментальном значении K_ε^I = 1,094 в поле установки УКПН-МБ(Т) была проведена:
на шаровом замедлителе из полиэтилена ⊘ 190 мм с Pu²³⁸ -α-Be источником с Q = 1,867 ˙ 10⁷ н/с ± 4% (0,95);
на установке УКПН-МВ(Т) с тем же источником;
на графитовой призме размером 190 х 190 х 260 см с кубической внутренней полостью 70 х 70 х 10 см с тем же источником, размещенным на дальней диагонали куба на расстоянии 35 см от ребра куба, в центре передняя часть призмы имела полый канал сечением 10 х 10 см (Гр.пр.r = 35).

Результаты измерений для этих источников представлены в таблице, а также для той же графитовой призмы с источником в центре полости, но без полого канала (Гр.пр. r = 0). "Излучающее тепловые нейтроны пятно" S_тенина поверхности замедлителя источника на основе графитовой призмы (r = 35) при R = 1,0 м имеет площадь S_тени = 450,4 см² (26,7 х 16,9 см).

Сопоставление этих результатов с полученными с помощью других известных методов выглядит следующим образом:
отношение ϕ_o.т, измеренное от шара ⊘ 190 мм190 на R = 0,4 м с помощью диспрозиевых активационных детекторов и предлагаемого устройства, характеризуется величиной 0,974 + 4% (0,95);
величины отношений ⊘ 190 для установок УКПН-МВ(Т) и шара ⊘ 190 мм 190 мм, определяемые через значение ϕ_o.т, измеренные ВНИИМ им. Менделеева с помощью индиевых активационных детекторов и СНИИП с помощью диспрозиевых активационных детекторов, к К_т, измеренному с помощью предлагаемого устройства, соответственно характеризуются значениями 1,01 ± 4% (0,95) и 1,039 ± 4% (0,95).

Аналогичные устройства детектирования, работающие по методике пропускания пучков тепловых нейтронов, могут быть осуществлены на газоразрядных счетчиках с BF₃-наполнением и на основе сцинтилляционного счетчика с двумя примерно одинаковыми детекторами (измерительного и поглотителя) тепловых нейтронов (например, типа Т-2 из оргстекла, ZnS(Ag) и бора) с пропусканием Т = 0,5-0,6.

Предлагаемые способ и устройство детектирования тепловых нейтронов в направленных пучках обеспечивают измерение плотности потока тепловых нейтронов без предварительных градуировок БД по чувствительности на метрологических образцовых установках (т. е. абсолютным методом) без существенной потери чувствительности детектирования к тепловым нейтронам по сравнению с прототипом, снижают трудоемкость и стоимость работ по подготовке и градуировке измерительных устройств на образцовых установках; обеспечивают измерения с погрешностями, требуемыми для рабочих и образцовых средств измерений.

Устройство несложно осуществить на основе выпускаемых серийно нейтронных радиометров (например, РПН-07).

Способ и устройство могут использоваться в метрологических работах при аттестации образцовых установок без применения трудоемких измерений с активационными детекторами для измерения нейтронных полей небольшой интенсивности, в ядерно-физических исследованиях, в работах по точным измерениям плотностей потоков тепловых нейтронов от источников сложной структуры.

Использование: метрология нейтронного излучения и измерение тепловых нейтронов в реальных нейтронных полях. Сущность изобретения: основано на методе пропускания тепловых нейтронов заданного сечения, получаемого с помощью формирователя, образованного кадмиевым экраном и двумя коллимирующими окнами кадмиевого коллиматора-держателя со съемным He-3-поглотителем, размещенного на конце счетчика. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ В ПУЧКАХ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ определения плотности потока тепловых нейтронов в пучках нейтронного излучения с помощью газоразрядного Не-3- счетчика, включающий измерение скорости счета импульсов от нейтронов без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений плотности потока тепловых нейтронов в пучках и расширения диапазона измерения в область малых значений, формируют с помощью кадмиевого коллиматора с окнами узкий коллимированный пучок тепловых нейтронов заданного сечения, пропускают его последовательно через Не-3-поглотитель, одинаковый по поглощающей способности со счетчиком, и через счетчик без Не-3-поглотителя в диаметральной плоскости измерительного счетчика измеряют скорости счета импульсов без кадмиевого экрана без Не-3-поглотителя - n₁ и с Не-3-поглотителем - n₂, и скорости счета импульсов с кадмиевым экраном без Не-3-поглотителя - n₃ и с Не-3-поглотителем - n₄, определяют плотность потока тепловых нейтронов - ϕ_т испускаемых поверхностью источника тепловых нейтронов, сформированной окнами коллиматора и кадмиевым экраном как

где S_к.п. - сечение коллимированного пучка тепловых нейтронов;

- коэффициент поглощения тепловых нейтронов Не-3-поглотителем в коллимированном пучке сечением S_к.п., равным площади окон коллиматора.