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

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ СЕЧЕНИЙ

Изобрегенне касаегся измерения ядерных излучений и может быгь использовано для получения нейтронных сечений, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, для более точных расче тов защит от нейтрсмного излучения и т.п Известны способы измерения нейтронных сечений путем регистрации -квантов и нейтронов, в которых используется один из следующих способов идентификации jsaanHHHbix видов сечений: измеряют величину энерговыдепения в сцинтилляционном 4 JT-детекторе, вызванного -j -квантами tl}; используют сцинтилляционный детектор, действующий на основе принципа МайерЛейбншла Г21: используют сцинтилляционный модифицированный детектор Моксона-Раэ измеряют совпадения /у-излучения с нзлуча1Ием нейтронов используют метод пропускания нейтронов. LSj. Однако точности измерения нейтронных сечений и их отношений этими способами невысоки, поскольку сечение захвата получается с большей примесью сечений рассеяния и деления, а в полное сечение вхо дят погрешности, связанные с переходом от величины пропускания к величине сечения. Ни один из известных, способов не позволяет получать одновременно нейгрсяшые сечения рассеяния, захвата, деления и полное сечение, вследствие чего невозможно достаточно точно учесть по- правки, связанные с нечеткой индентификацией актов рассеяния, захвата и деления. Для этими способами даже неполной совокупности нейтронных сечений необходимо использовать различные установки, что снижает точность по- лучаемых данных. Известен способ измерения нейтронных течений, который позволяет одновременно измерить эти сечения н получать данные о наиболее высокой грчносги и который выфан в качестве гфогогипа. В этом способе с помощью системы независимо работающих детекторов измеряют суммарное количество -квантов и нейтронов образующихся в каждом акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами (кгаожественность вторичного излучения), суммарное энерговыделение в системе детектс ов и. распределение числа зарегистрированных актов в зависимости -суммарного количества -квантов и нейтронов, т.е. от множестве1Шости вторичного излучения и величины суммарного энерговьшеления в системе Детектфов Гб1, Число зарегистрированных актов является суммой чисел ак тов рассеяния, захвата и деления. Поэтйм распределение числа зарегистрированных актов в зависимости от кшожественности вторичного излучения и суммарного энерговыделения в системе детекторов, т.е. спектр множественности вторичного излучения, гтредставляет собой сумму распределений, соответствующих реакциям рассея ния, захвата и деления (сумму спектров мнохсес венности рассеяния, захвата и деления). Из суммарного спектра множественности вторичного излучения вьщеляют спектры множественности рассеяния, захвата и деления, на основании которых определяют числа актов соответствующих ре акций. Из этих чисел известными методами определяют сечения рассеяния, захвата, деления и полное сечение. Вьшеление спектров множественности рассеяния, захвата и деления из суммарного спектра множественности производят на основании того обстоятельства, что при разных реакциях множественность вторичного излучения и суммарное энерговьщеление в системе детекторов различны, и поэтому спектры множественности рассеяния, захвата и деления сосредоточены в разных участках суммарного спектра множественности и тем самым разделены друг от др га. Однако точности измерения нейтронных сечений делящихся ядер н их отноиений таким способом недостаточно высоки. Это является следствием того, что из суммар ного спектра множественности вторичного излучения делящихся ядер не удается с в сокой степенью точности вьщелить спектр множественности захвата н деления. Последнее приводит к тому, что числа актов захвата и деления, и следовательно, сечения соответствующих реакций, полное ней ронное сечение и отношения эти сечений определяются с недостаточно высокой точностью. При измерении одного только суммарного спектра множественности вторичного излучения делящихся ядер числа актов захвата и деления можно получить с высокой точностью лишь в том случае, когда спектры множественности захвата и деления полностью разделены в суммарном спектре множественности. Однако, как показывают измерения на установках с числом независимо работающих детекторов ( N ) до 46 и с эффективностью регистрации одного У -кванта всей системой де текторов (ЕЛ-) ДО 0,9; спектры множественности захвата и деления заметно перекрываются в суммарном спектре множественности. Наличие области перекрытия не Позволяет вьщелить с высокой точностью спектры множественности захвата и деления, посколысу неизвестными остаются участки этих спектров в области их пе- рекрытчя. Область перекрытия можно было бы уменьшить дальнейшим увеличением Однако такое увеличение N И е приводит к существенному увеличению объема сцинтиллятора системы детекторов, вследствие чего резко увеличивается число событий естественного фона, регистрируемое системой детекторов. Последнее приводит к значительному ухудшению точности получаемых результатов. Для того, чтобы определить участки спектров множественности захвата и деления в области их перекрытия, приходится выдвигать определенные предположения о форме спектров множественности захвата и деления в области перекрытия, а также прибегать к сложным расчетам. Известный способ не допускает проверки достоверности этих гфедложений. Более того, известно , что предложения включают в себя большие неопределенности. С другой , в -расчетах используются определенные приближения. Все это приводит к тому, что участки спектров множественности захвата и деления в области их перекрытия определяются со значительной погрешностью (до 30%). Вследствие этого падает точность определения спектров множественности захвата и деления, и, следовате5яьно, нейтронных сечений и их отношений. Цель изобретения - повышение точности измерения нейтр с«ных: сечений делящихся ядер и их отношений. Для этого в известном способе изм ения нейтрсяных сечений путем измерения с помощью системы независимо работаю58щих дегекгоров суммарного количесгва -квантов и не игр он ОБ, образующихся в каждом акге взаимодейсгвня падающих ней рршов и исследуе {ыми ядрами, измерение суммарного энерговьшеления в сисгеме дегекгоров к распределение числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества f -квантов и нейтронов и величины суммарного энерговьшеления в системе детекторов, одновременно идентифицируют акты деления путем разветвления импульса, характеризующего суммарное энерговыделение в сястеме детекторов, по двум каналам, задержки импульса в одном из каналов относительно импульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в обоих каналах, измеряют суммарное количество - квантов и нейгронов, образующих ся в каждом идентифицированном акте деления, и распределение числа идентифицированных актов деления в зависимости от суммарного количества -квантов и нейт ронов, после чего по измеренным распределениям определяют нейтронные сечения, Измерение распределения -числа ндентифицированных актов деления в зависимости от суммарного количества -квантов и нейгронов (спектр множественности идентифицированного деления) позволяет с высокой точностью выделить спектры множественности захвата и деления из суммарного спектра множественности, поскольку при этом выделении не используются предположения и ,расчеты, вносящие значи тельные погрещности. На фнг. 1 представлена схема устройств для реализации предложенного спосо ба; на фиг. 2 - суммарный спектр множественности (к) (точки) и спектр множественности идентифицированного деления F (к) (крестики) для урана-235, измфенные с помощью системы из N 46 сцинтилляционньк детекторов с ,9ь на фиг. 3 - измеренный на той же установке спектр множественности захвата для золота-197; на фиг. 4 - спектр множественности захвата F (к) (точки) и спекгр множественности деления F (к) (крестики), полученные .на основании дан ных, приведенных на фиг. 2. Устройство для реализации предлагаемого способа содержит образец из исследуемых ядер 1, независимо работающие /Y -дегекгсры 2, (п ,7)- конвертор 3, ,,..,,, |отоумножигели 4, анализирующую и кдатролирующую аппаратуру 5. Способ осуществляют следующим образом. 5 Образец из исследуемых ядер Гпомещают на коллимированный пучок падающих нейтронов 6 и окружают системой независимо работающих детектсров 2, обра- зующей 4Ji -геометршо. Между образцом 1 и -системой детектсров 2 помещают (п,т)-конвертор 3, содержащий, напрнMepj бор-10 и ядра, замедляющие нейгроны. Конвертор 3 служит для преббраэования нейтронов 7, образующихся при взаимодействин падающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами образца 1, в Г -кванты. Нейтроны 7 захватьшаются ядрами бораЮ и дают -кванты .8. Одш нейтрон в этой реакция конвертируется в одшг квант с энергией 480 кэВ. При каждом акге взаеагодействня падающ 1х нейтронов 6 с иccлeдye fымн ядрами образца 1 с помощью jr -дегектсров 2 измеряют су тмарное количество всех f -квантов, T.e. -квантов 9, образ пощихся при ваанмодействик падающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами офаз- ца 1, и -квантов 8, а также суммариое энерговыделение Е в системе у детекторов 2, пызванноэ всеми - -квантами. Суммарное число всех f -квантов (множественность вторишюго излучения) получаюг по кратности (к) совпадения импульсов от jf -детекторов 2, Затем измеряют распределение числа зарегистрированных актов в зависимости от сумкгарного количества3 -квантов и величины суммарного энерговьщеления, т.е. суммарный спектр множественности вторичного излучения Спектр кгаожественности рассеяния полностью содержится в части S (к) суммарного спектра множественност г, соответствующей сзт марному энерговыделенгоо Ео 480 кэВ, в системе -j -детектсров 2, поскольку при рассеянии образуется один нейтрон 7, который преобразуется конвертором один у -квант 8 с энергией 48О кэВ. Причем для актов рассеяния . Таким офазом, число событий Pg S (), зарегистрированных в спектре S (к), есть число актов рассеяния. Участок Р (к) суммарного спектра множесгвенностн, соответствующЕй значениям суммарного энерговьщеления Е 480 кэВ (см.фигГ2), является суммой спекгров множественности захвата Р(к) в деления Р(к), поскольку как при захваге, так к гфи делении вьшеляется энергая в нескдпько МэВ. -Из спектра Р (к) вьщеляюг спектры множественности захвата F.(K)-н деления Р(к). Осуществляют это следуюпшм офазом. 76 Одновременно с измерением суммарного спектра множесгвенносги иденгифицируюг акты деления путем разветвления импульса, характеризующего суммарное энерговьщеление в системеJ -детекторов 2, по двумя каналам, задержки им. пульса в данном из каналов относительно импульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в обоих каналах Смысл этих операций заключается в еледующем. При делении нар$шу с fy -квантами 9 образуются нейтроны 7, В тех случаях, когда нейтрс«ы деления 7 не преобразуются конвертором 3 в -у -кванты, они попадают JB -Детекторы 2 и регистрируются по своему захвату в вешестве детектфа. При этом импульс, характеризующий суммарное энерговыделение в системе детекторов 2 от регистрации нейтронов деления 7, будет задержан на некоторое время относительно импульса, Характеризующего суммарное энер- говьщеление or регистрации / -квантов 8 и 9, поскольку нейтрон деления 7 до своего захвата блуждает некоторое время в системе детекторов 2, Поэтому, если импульс, характеризующий суммарное энер говьшеление в системе -детекторов 2, разветвить по двумя каналам, задержать им пульс в oAJicM из каналом на-время 1Х , относительно импульса в другом канале затем пустить их на совпадение, то регистрация импульсов совпадения этих двух каналов будет свидетельствовать о том, что произошел акт деления. При захвате,, в отличие от деления, нейтроны 7 не образуются, и совпадение импульсов двух каналов не имеет места. Наряду с идентификацией актов деления с помощью jT- -детекторов измеряют 1ЛНОжественность вторич1 ого излучения, образующегося в каждом идентифицированном акте деления, а также распределение числа идентифвдированных актов деления в зависимости от множественности вторичного излучения - спектр множественности иден тифицированного деления Р(к) (см. фиг,2), Идентифицировать все акты деления, зарегистрированные системой f -детекторов 2, невозможно. Поэтому спектр множественности идентифицированного деления F(K) не будет тождественно равен спектр множественности деления F (к), который необходимо вьшелить из спектра Р(к). Однако поскольку оба спектры F(K) и р(к) являются характеристиками одного и того же процесса (деления), Ъчи име5ют одинаковую форму, т.е. отличаются на некоторый постоянный множитель F(K) F(n), Постоянный множитель Ы, опрск пяют следующим образом. Как показывают измерения спектра множественности захвата для ядер в щирокой области энергий связи нейтрона В и с различной плотностью уровней р , от которых зависит спектр множественности вторичного излучения, события захвата при кратностях совпадения к 8 не регистрируются (см, фиг, 3), Таким образом. в спектре множественности Р(к) в области к 8 регистрируются только события деления, т,е, в области к 7 8 спектры Р(к) и F (к) совпадают. Поэто-. му для области к 7 8 в формуле (1) вместо F(K) можно подставить Р (к): P()F()iot, Отсюда получаем При помощи фсрмул U) и (2), используя И §мер1енные спектры множественности Р (;t) и F (к), определяют спектры множественности деления Р(к) и захвата Г{к) (см, фиг. 4): ТЗ Р(к) Р() ПРИ 13 F(K) ПРИ t(k)(K) Из выделенных спектров множественности рассеяния S (к), захвата Р(к) и деления F(K) определяют числа -ктов соответствующих процессов Р е(), Р г:Р(к) (к).Из этих чисел извест-: ными методами определяют сечения рассеяния, захвата и деления. Полное нейтронное сечение определяют по сумме PS+%+P ,Изобретение позволяет повысить точ; ность измерения нейтронных сечений делящихся ядер к их отношений, получить точности, требуемые для оптимизации ядерных энергетических реакторст, особенно реакторов размножителей на быстрых нейтронах, а также оптимизации внеш. него гопливного цикла. На1фимер, с по- МОЩЬЮ предложенного способа абсолютное значение отнсяления сечений захвата и деления урана-235 в области энергий нейтронов О,1-ЗО кэВ впервые бьло измерено с требуемой для этсЛ цели точностью - лучшей 5%, тогда кпк с помощью известного способа эта величина была измерена с точностью 25%.

Эксиомнческий эффект указанной оптимизации гфоявляется в исключении возможности ошибочного выбора неперспективной концепции реактора будущего, которая привела бы к убыткам порядка стоимости отрасли промышленности по производству и переработке гепловьщеляющихся элементов реактора.

Формула изобретения

Способ измерения нейтронных сечений путем измерения с помощью системы независимо работающих детектор ОБ суммарного количества -квантов и нейтронов, образующихся в каждом акте взаимодействия Падающих нейтронов с ;исследуемыми ядрами, измерения суммарнслго энерговьщеления в системе детектфов и распределения чГисла зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества -квантов и нейтронов и ве- личины суммарного энерговыделения в системе детекторов, отличаюшийс я тем, что, с целью повышения точности измерения нейтронных сечений деля .-щихся ядер и их отношений, одновре . менно идентифицир5ют акты деления путем

разветвления импульса; характеризующего суммарное энерговыделение в системе детекторов, По двум каналам, задержки импульса в, одном из каналов относительно , импульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в обоих каналах, измеряют суммарное количество -j -квантов и нейтронов, образующихся в каждом идентифицированном акте деления, и расQ пределение числа идентифицированных ак- тон деления в зависимости от суммарного количества -jr -квантов и нейтронов, после чего по измеренным распределен И51М определяют нейтронные сечения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Ьч(-(п R.,W9ton Lxw-.de saT 5sure Q.e.a.

, Enqfixi 1970,V.40,p.366. 2.Glirr D.B.,bin5sM3.,Nuce Sei .,

1970,v,41,p.50..

S.siiomterij RaiSo-werbv A.Q.e.d|Доклад CN-26/33 на Межд. конференции Ьо ядерным данным. Хельсинки, 19-70.

4 Рябов Ю.В. Сон Дон Сик,Чиков Н. 5 И ДрГ Препринт ОИЯИ РЗ-5113, Дубнау

S iacrff .:з, В. Ййлпч а-ьег :J.,апв uevene «Ж Re |Tl965,N.137 В, р. 547. . 6, Авторское свидетельство СССР № 548100, кл.(3 01 Т 1/34, 1975

,.&

(поототнп).

A

I

,4.

i I I i

...-Л.

0

-- .ч

.д

л л

Ю

SCWe2

О

/

/ /

Au-f97