Способ измерения нейтронных сечений Советский патент 1981 года по МПК G01T1/34 G01T3/00 

Изобретение относится к способам измерения нейтронных сечений (радиа ционного захвата G- , деление (У. , рассеяния Gg и полного сечения) и может быть использовано для получения недостающих данных, необходимых для создания более экономичных ядер ных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, и для более точных расчетов защит от нейтронного излучения и т.д. Известны способы измерения нейтронных сечений путем регистрации У-квантов и нейтронов, в которых ис пользуется один из следующих способов выделения (идентификации) различных видов сечений: -измеряют величину энерговыделе ния в сцинтилляционном 47Г-детекторе вызванногоJf-KBaHTaMH -используют сцинтилляционный детектор, действующий на основе принципа Майера-Лейбница -используют сцинтилляционный мо дифицированный детектор Моксона-Раса-измеряют совпши ния тр-излучени с излучением нейтронов 4j; - используют метод пропускания нейтронов 5 . Однако во всех этих методах сечение захвата :,получается с большой примесью сечения деления и с заметной примесью сечения рассеяния; в полное сечение входят погрешности, связанные с переходом от величины пропускания к величине сечения. Ни один из известных методов не позволяет получать одновременно нейтронные сечения захвата, деления, рассеяния и полное сечение, вследствие чего невозможно достаточно точно учесть поправки, связанные с нечеткой идентификацией актов захвата, деления и рассеяния. Известные методы требуют использования различных установок для измерения даже неполной комбинации парциальных сечений, что приводит к снижению точности получения отношения различных сечений. Кроме того, неодновременное измерение сечений приводит к увеличению длительности цикла измерений. В качестве прототипа предлагаемого способа выбран способ измерения F-ейтронных сечений путем регистрации Т-квантов и нейтронов, возникакщих после взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, который позволяет получать наиболее высокую точность в измерениях сечения захвата делящихся ядер, что имеет наибольшее практическое значение. По этому методу образец помещают в жидкостной сцинтилляционный 4 -детектор и при каждом акте взаимодействия падающего нейтрона с исследуемыми ядрами измеряют энергию, выделяемую всеми З-квантами во всем объеме детектора. Акты деления ядер и акты радиационного захвата нейронов (в дальнейшем просто деление и захват) разделяют путем выделения числа случаев с энерговыделением л/ 2,5 МэВ (захват) и числа случаев с энерговыделением более 11 МэВ (деление). Для защиты от рассеянных нейтронов между образцом и детектором вводят защиту, содержащую литий-6.

Однако этот способ имеет существенные недостатки.

В канале захвата (случаи с энерговыделением ,5 МэВ) число случаев пропорционально величине N-j (г + В G + с-(3. Здесь В лу 1, т.е число актов захвата получается с большой примесью актов деления. Исключение этой примеси, т.е. определение величины В/ вводит дополнительную ошибку в Су и требует привлечения дополнительных (так называемых калибровочных) данных по Gy , которые могут быть получены в данном эксперименте. Эта ошибка сильно зависит от величины Бив данном случае является основной составляющей частью, систематической ошибки.

Эффективность регистрации актов деления и захвата составляет f 10%. При столь малой эффективности появляются, во-первых, ошибки в сечениях связанные с уходом эффективности в зависимости от спектраjj-лучей, т.е в зависимости от энергии падающих нейтронов. Такой уход практически не поддается учету. Во-вторых, время измерений, в течение которого достигается заданная точность, на порядок больше минимально возможного времени. Кроме того, низкая эффективность регистрации уменьшает отношение эффекта к фону, что в сво очередь снижает точность получаемых сечений.

Способ не позволяет одновременно измерять сечение рассеяния Gg вследствие чего поправка на примесь актов-рассеяния в канале захвата (член с 065 в выражении N ), возникающего из-за того, что часть рассеянных нейтронов, захватывается конструкционными материалами детектора и имитируют захват в исследуемом образце, определяется с относительно низкой точностью.

Отсутствует возможность одновременного получения величины полного

сечения, что необходимо для улучшения точности определяемых сечений захвата и деления путем введения поправки на самоэкранирование в заданных условиях эксперимента.

Цель изобретения - обеспечить одновременное измерение различных парциальных нейтронных сечений (радиационный захват, деление рассеяние) и полного сечения, повысить точность измерений сечений захвата, полного сечения и отношения сечений. I Для этого с помощью системы независимо работающих детекторов измеряют суммарное количествОЗ -квантов и нейтронов, возникающих при каждом отдельном акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, и измеряют величины амплитуд импульсов, характеризующих энерговыделение в каждом детекторе, и по распределению числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества Г-квантов и нейтронов и от суммарного энерговыделения в системе детекторов определяют нейтронные сечения. С целью упрощения процесса измерений регистрацию нейтронов ведут по У-квантам, образующимся в борсодержащем (п .-у)-конверторе . На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа, разрез) на фиг. 2 - расчетная зависимость кратности (К) для системы независимых детекторов с числом секций N 6,10,20 и эффективностями g-j- 0,3 и 0,7, расчет проведен в предложении отсутствия рассеянид Тр-квантов из одного детектора в другой, черные точки соответствуют девяти Jf-KBaHTaM (деление) , белые четырем-y-KBaHTaM (захват), на фиг. 3 - интегральное распределение времени жизни нейтронов с энергией 1 МэВ до поглощения их в конверторе при различных концентрациях в нем бора-10 и парафина с суммарной плотностью смеси, равной 1,5 г/см,На фиг. 4 - экспериментально полученная зависимость чисел отсчетов от кратности совпадений (К) импульсов

этекторов для спонтанного

в системе

.йВс

деления С €.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит образец 1 из исследуемых ядер, (n.J)конвертор 2, детекторы 3, регистрирущую аппаратуру 4 и 5 (кодировщик, цифровой анализатор и др.).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Для простоты рассмотрим конкретный случай, когда нейтроны регистрируются по у квантам, образовавшимся в (п ,jr )-конверторе. Образец 1 с исследуемыми ядрами (см.фиг.1) помещают в коллимированный пучок падающих нейтронов и окружают системой N независимо работающих Г-детекторов 3. Между образцом 1 и системой детекторов 3 помещают (п, )-конвертор 2, содержащий, например, бор 10 и ядра, замедляющие нейтроны. Нейтроны, образующиеся после взаимо действия падающих нейтронов с иссле дуемыми ядрами, в результате захвата их в боре-10 дают /у-кванты с энергией 480 КэВ. Один нейтрон в этой реакции дает один «у квант. При каждом акте взаимодействия падающего нейтрона с исследуекыми ядрами измеряют суммарное число всех «у-квантов т), т.е.у-квантов, образующихся как в процессе взаимодействия, так и в процессе конверти рования нейтрона ву-квант(это чи ло получают по кратности (К) совпадений импульсов от системы детекторов) , и амплитуды импульсов от каждого детектора, соответствующих энерговыделениям в детекторах, вызванных Jf-квантами. После набора Р актов взаимодейст вия, где Р определяется запланированной статистической точностью изме рения сечений, выделяют числа , Рг- и PC , соответствующие числам актов захвата, деления и рассеяния соответственно. Из этих чисел известными методами определяют соотве ствующие сечения. Полное сечение определяют по сумме P/J- + Числа Р-у, Pf и Рд вьщеляют следу щим образом. При захвате вылетают приблизител но 2-5 5 квантов с суммарной энерги ей, равной энергии связи нейтрона в ядре, т.е. / 5-10 МэВ, при делени вылетают примерно 7-8 -у-квантой и 2-3 нейтрона, при рассеянии - оди нейтрон. Таким образом, различные типы взаимодействия характеризуются следующими суммарными количествами у-квантов (с учетом конвертирова ния нейтронов) и суммарным энерговы делением J -квантов Ед: захват I ..., 5-10 МэВ деление Л) т)г- 9-11, Е„ Ечг -vg МэВ S 2t рассеяние-V л)- 1, 0,48 МэВ. Исходя из этого, по зависимости распределения числа случаев от V и ЕЗ , находят Ру, Р и Рд . Последнее получают по числу случаев, соответствующих 0 1 и Ef, 0,48 МэВ, деление по числу случаев, соответству щих 8, захват по числу случаев, соответствующих 1 с Е 0,48 Мэ Следует отметить, что точность определения л) и Е зависит от конкретных параметров детектора и конвертора, а именно, от числа детекторов N, от суммарной эффективности регистрации одного Т-кванта всей .системой детекторов, от эффективнос ти конвертирования нейтрона (п, у в j-квант и от точности измерения суммарной энергии 2Г-квантов Eg. Однако, как видно из приведенных значений д) и Eg, как числа И Л)д , так и Ejjgno отношению к Едг Egj существенно разнятся между собой, поэтому требуемая точность их измерения позволяет создавать реальные ;И вполне реализуемые установки, позiволяющие по распределению Р ( , Е„) , полученному на этих установках, выделять область (по V и Е) , соотIветствующие случаям чистого захвата, iчистого деления и чистого рассеяния. В этом случае выделяемые числа Ру PC и PC пропорциональны соответствующим числам актов захвата, деления и рассеяния. На фиг. 2 для пояснения показано, как откликается система детекторов (т.е. как зависит число случаев от кратности совпадения К) при V 4 (захват) и при А) 9 (деление в зависимости от N и Ё-тг- Видно, что начиная с некоторых значений N и у происходит эффективное разделение актов захвата и деления. Из фиг.З, где приведена зависимость эффективности конвертирования нейтронов с энергией 1 МэВ от содержания в конверторе бора-10 и парафина (замедлителя) и от времени конвертирования (t), видно, что при t 0,1 МКС эффективность конвертирования (n.JT ) при содержании ,5 г/см и парафина 1,0 г/см (реализованный случай) составляет 80%. Авторами создана установка из N 12 детекторов на основе кристаллов NaD(Te) (фиг.1) для 80% для актов j-KBaHTOB захвата, g деления и с конвертором с эффективностью f(vi,) для нейтронов деления и для нейтронов с энергией меньше 1 КэВ (содержание в конверторе в;О, 5 г/см, парафина 1,0 г/см , толщина 4,5 см). Детектор с такими параметрами позволяет четко выделить акты захвата, деления и рассеяния. Для иллюстрации работы установки на фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость числа отсчетов кратностей совпадений (К) для спонтанного деления Cf, при котором захват и рассеяние отсутствуют. Деление регистрируется при к 4, т.е. в области 1 К S 3 может регистрироваться только захват и рассеяние. Аналогичная картина, снятая экспериментально для захвата нейтронов в Cd , показывает, что захват регистрируется только в области К €7, т.е. в области К 8 имеем случай чистого деления. Очевидно, что с рассеянием может конкурировать только захват, однако случаи захвата сильно отличаются по E«g, а примесь случаев эават.а. с К 1 и ES/ соответствующая

энергии Т ванта 480 кэВ, пренебрежимо мала (случаи захвата с -l) 1, 2 составляют малую долю). В связи с этим случаи рассеяния хорошо выделяются, по признакам К 1 и амплитуде импульса от Na3(Te), соответствующей Ej « 480 КЭВ.

В общем случае для реальной установки числа Рл. , р и PS можно выделить, либо используя функции отклика систе1 м детекторов для различных ) и Е JJ (которые находятся путем калибровки аппаратуры или расчетным путем), либо по различию в зависимостях Р (), Pf (Е ) и Ps(Ei) от энергии падающих нейтронов. В этом случае методом наименьших квадратов решаиот систему избыточных уравнений, связывающих измеряемое распределение Р (V , Е„, Е ) с числами Р(), Р(Е) и PS(E) и определяют эти числа.

Формула изобретения

1. Способ измерения нейтронных сечений путем регистрации }-квантов и нейтроиов, возникаквдих .после взаимодействия пещающих нейтронов с исследуемыми ядрами, отличающийся тем, что, с целью одновременного измерения различных парциальных нейтронных сечений (например, радиационного захвата, деления, рассеяния) и полного сечения, повышения точности определения сечения

захвата, полного сечения и отношения

сечений, измеряют с помощью системы независимо работающих детекторов суммарное количество- -квантов и нейтронов, возникающих при каждом отдельном акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, величины амплитуд импульсов, характеризующих энерговыделение в каждом детекторе, и по распределени числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества ЗГ-квантов и нейтронов и от суммарного энерговыделения в системе детекторов определяют нейтронные сечения.

2. Способ поп.1,отличающ и и с я тем, что, с целью упрощенИ.я процесса измерения, регистрацию нейтронов ведут по -j-квантам, образующимся в борсодержанием (п ,- )конверторе.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Gwin R., Westan L.W., de Saussure G, e.a -NaCl. Sci. Eng., 1970, V. 40, p. 306,

2.Czi ГГ I.e., Lindscy t . - NaC Sci . Eng., 1970, v. 41, p. 56.

3.Schomberg M.E., Sowerly M.G. e.a.- Доклад CN-26/33 на Международной конференции по ядерныг 4 данным. Хельсинки, 1970.

4.Рябов Ю.В., Сон Дон Сик, Чиков Н. и др. - Препринт ОИЯИ P3-S11 Дубна, 1970.

5.Garg I.B., Rainwater I. and Havens W.W. - Phys, Rev., 1965, v. 137 B, p. 547.

Фиг 1

ei-o f г - g7

.S

ffpOfnHocmb coSna eHUu фие.2 , :