Детектор для измерения нейтронных сечений Советский патент 1982 года по МПК G01T3/06 G01T1/34 

1

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений и может быть использовано для нолучения нейтронных сечений, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, для более точных расчетов защит от нейтронного излучения и т. п.

Известны детекторы для измерения нейтронных сечений, содержащие сцинтилляторы, регистрирующие и нейтроны 1. Однако точности измеренных на этих детекторах нейтронных сечений и их отношений невысоки, поскольку сечение захвата получается с больиюй примесью сечения деления и рассеяния, а в полное сечение входят погреишосги, связанные с переходом от величины пропускания к величине сечения. Кроме того, акты деления и захвата регистрируются с низкой эффективностью. Ни на одном из этих детекторов нельзя одновременно измерить сечения захвата, деления, рассеяния и полное сечение. Для измерения даже неполной совокупности этих сечений необходимо использовать несколько различных установок, что снижает точность получаемых данных. К тому же неодновременное измерение сечений приводит к увеличению

длительности цикла )1змерепий.

Ближайшим к заявляемому по технической с.уп;,ностп является детектор для измерення нейтронных сечений, содержащий светоизолпрованные сцинтилляторы, регистрирующие у1 вянты и не 1троны, - детектор «Ромашка 2. В этом детекторе в качестве сциитилляторов исиользуются кристаллы NaS(Tl). Детектор «Ромаидка имеет 4л-геометрию и состоит из двух одинаковых частей. В каждой части шесть светоизолироваииых кристаллов сложной конфигурации, которые жестко

связаны между собой. Эти кристаллы расположены по окружности таким образом, что соседние вплотную примыкают друг к другу, а между противолежащ1 М имеется свободная полость (внутренняя полость

детектора). Вход н выход этой полости служат входом и выходом для нейтронного пучка. Метод измерения иейтрониых сечений с помощью детектора такого типа осковаи на спектрометрии множественности

-кзантов и нейтронов, образующихся при взаимодействии иадающих нейтронов с ядрами исследуемого образца, который помещается во внутренней полости детектора. Детектор «Ромашка позволяет одковременио измерить сечения деления, захвата, рассеяния и пот-юс нейтронное сечение.

Однако точности измерения нейтронных сечений и их отношений е номощью детектора «Ромашка недостаточно высоки, а длительность цикла измерений велика. Причиной этого является жесткая связь между светоизолированнымы кристаллами и их форма. Жесткая связь между кристаллами не нозволяет варьировать ни число кристаллов, ни размеры внутренней полости детектора. Однако в зависимости от рода измеряемых сечений, неследуемой энергетической области, количества исследуемого образца и стеиени его радиоактивности нзмеренне нейтронных сечений с высокой точностью требует нснользования нескольких детекторов «Ромашка с различным числом сцинтилляторов и различными размерами внутренней иолости. Причем для нолучения высокой точности измерения и уменьшения длительности цикла измерений эти иараметры необходимо оитимизировать в ходе конкретного экснеримента. Если исиользовать детектор «Ромашка в таких экспериментах, как, например, измерение сечения захвата деляш;нхся ядер и сечения деления в области энергий нейтроиов до нескольких Мэв, измерение отиошення сечения захвата к еечению деления в области энергий нейтронов до нескольких Мэв, измерение сечения захвата высокоактивных ядер и т. д., то точность нолучаемых данных будет низкой, поскольку ни число кристаллов, ни размеры внутренней иолости детектора не являются оптнмальными для решеиия этих задач.

С другой стороны, недостаточно высокая точность измерений, проводимых с номощью детектора «Ромашка, объясияется тем, что эффективность регистрации детектором актов захвата и деления меньше 100% (- 85% н 96% соответственно при нулевом пороге дискриминации энергии у-квантов). Это является слсдствнем малой толш;ины сцнитилляторов. Однако увеличить толш,ину сцинтилляторов невозможно из-за цилиндрической формы их внешней новерхностн и конструкционных материалов обш;его кожуха сцинтилляторов.

Целью изобретеиия является иовыишние точности измерения нейтронных сечений и их отношений, уменьнгение длительности цикла измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известиом детекторе для измерения нейтронных сечений, содержаш;ем светоизолированиые сцинтилляторы, последние выполнены в виде не связаииых между собой многогранников, например прямоугольных параллелепипедов.

Выполнение светонзолированных сциитилляторов в виде отдельных секций указанной формы позволяет оператнвно варьиpOBaib число сцинтилляторов, их обш,ую толш,ииу и размеры внутренней иолости детектора, оптимизируя эти иараметры в ходе конкретного эксперимента, и собрать детектор е такими значениями этих параivieTpOB, которые обеспечивают высокую точЕюсть измерений. Кроме того, онтимизация иараметров детектора в ходе эксперимента приводит к уменьшению длительности цикла измерепия, так как в процессе оптимизации одновремеино минимизируется длительность цикла измерепия. По окопчаиии эксперимента детектор можно разобрать н те же секции исиользовать для составлеиия нового варианта детектора, требуемого для выполнения следуюш;его эксперимеита. В зависимости от требова:а-1й экеперимеита во виутреннюю полость детектора можно вводить соответствуюш,ич конвертор, датчики мягкого у-излучсния осколков делеиия, нейтронов н т. д.

Па фиг. 1 представлен обш,ий вид детектора; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фнг. 3 - разрез Б-5 на фиг. 1; фиг. 4 поясняет работу детектора и приицип его использоваиия.

Детектор включает секции 1 детектора, кристаллы 2 NaS(Tl), виутреннюю нолость 3 детектора, исследуемый образец 4, образцедержатель 5, фотоумножитель 6, систе.му 7 аналнза и контроля н пучок 8 падаюпдих иейтронов.

Предлагаемый детектор состоит из одинаковых не связанных между собой сцинтилляциоппых секций 1 нз кристаллов NaS{Tl) 2, запакованных в алюминиевые кожухи. Секции 1 выполиеиы в виде прямоугольных нараллелепинедов. Детектор собран так, что соседние секции 1 раеположеиы вилотную друг к другу, а между иротивоположнымн секциями 1 и.меется инутренияя полость 3. В собранном виде детектор имеет 4я геометрию.

Принцип использования и работы деTeicTopa следуюш,нй.

Исследуемый образец 4 вводится в центральную часть внутренней полости 3, ;апрнмер, нри иомоши образцедержателя 5. Кристаллы 2 каждой секции 1 оптически соединяются со своим фотоумиожигелем 6. Все фотоумножнтелн 6 соедиия10ТСЯ с системой анализа и контроля 7. Детектор устанавливается на коллимированиый иучок иейтроиов 8, который падает на исследуемый образец 4. При этом в образце 4 образуются и иейтроны, которые вылетают из образца 4, попадают в кристаллы 2 секции 1 и вызывают в кристаллах 2 световые вспышки. Фотоумножители 6 преобразуют световые вспышки в э.тектрнческие сигналы, которые поступают на систему аналнза к контроля 7. Система анализа и коитроля 7, еостояш,ая из многовходового измерителя временных интервалов, ЭВМ н т. д., по критериям анализирует поступающую на нее информацию, контролирует правильность работы детектора и достоверность поступающей информации, производит обработку этой информации и выдает нейтронные сечения. Детектор позволяет повысить точносто измерения нейтронных сечений и их отношений, уменьшить длительность цикла измерений. Выполнение светонзолированных сцинтилляторов в виде отдельных не связанных между собой многогранников, например прямоугольных параллелепипедов, позволяет оперативно варьировать число сцинтилляторов, их общую толщину и размеры внутренней полости детектора, оптимизировать эти параметры в ходе конкретного эксперимента. Последнее позволяет оа короткий промежуток времени добиться высокой точности измерения нейтронных сечений и их отношений. На предлагаемом детекторе отношение сеченпя захвата к сечению деления урана-235 и плутония-239 в области нейтронов до 30 Кэв впервые было измерено с той высокой точностью, которая необходима для онтимизации реакторов на быстрых нейтронах ( 5%). Имеющиеся в настоящее время два детектора типа «Ромашка уже не подходят для решения многих задач, возникших после их создания, таких, как измерение отношения сечения захвата к сечению деления в области энергий нейтронов до нескольких Мэв, измерение сечения захвата делящихся ядер в области энергий нейтронов до нескольких Мэв, измерение сечения захвата высокоактивных ядер и т. д. Пели идти по пути создания детекторов тина «Ромашка, то для измерения с высокой точностью только лишь указанных нейтронных сечений необходимо разработать и создать три детектора с числом кристаллов KaS(Tl) , 32 и - 64 (объемом каждого кристалла 4,5 л) и различными размерами внутренней нолости. Разработка и создание только одного такого детектора с числом кристаллов, равным 64, стоит 622,4 тыс. руб., из которых стоимость кристаллов составляет 4224 тыс. руб. (стоимость каждого кри-сталла составляет 6600 руб.). Если даже не принимать во внимание стоимость разработки остальных двух детекторов (примерно 400 тыс. руб.), то стоимость трех детекторов составит 9392 тыс. руб. Требуемую совокупность экспериментов можно выполнить с помощью предлагаемого детектора, собираемого из 64 секций на ос ьове таких же кристаллов NaS(Tl), что и детектор типа «Ромашка. Тогда решение поставлеиных задач обойдется в 4224 тыс. руб. и будет сэкономлено мпнпмум 48 кристаллов общей стоимостью 3168 тыс. руб. В действительности экономия будет гораздо больше, поскольку здесь указаны не все тины измерений, которые необходимо вынолнить. Причем число задач, требующих своего решения, постоянно растет, а сами задачи услол няются и требования к точности их измерення возрастают. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно расширить круг решаемых задач по измеренню нейтронных сечений, повысить точность измерения этих сечений и их отношений и получить существенный экономический эффект от его внедрения. Формула изобретения Детектор для измерения нейтронных сечений, содерлсащпй светопзолированные сцинтилляторы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерення нейтронных сечений и их отношений, уменьшения длительности цикла измерений, светоизолироваппые сцинтплляторы выполнены в виде не связанных между собой многогранников, например прямоугольных параллелепипедов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Gwin S., Weston L. W., de Saussure S. e. a., Nucl. Sci. Engin, 40, 306, 1970. 2. Адамчук Ю. В. и др. Труды IV Всесоюзной конференции по нейтронной физике, Киев, «Москва, 1927, ч. 3, с. 113, 1977 (прототип).

/f

//

//

// // // f // // //

// X/ / // f/

// X/ //

/ //

// I

/ f/

-J

,7

фиг.5

/y /7 /

//

// //

// // //

f/ /

f -

и