Устройство для нейтронно-абсорбционного анализа Советский патент 1986 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к области ядерно-физических методов контроля содержания и распределения веществ, поглощающих или рассеивающих нейтроны, в материалах, слабовзаимодействующих с нейтронами.

Известны установки для измерения содержания и распределения вещества в твэлах и мишенях, содержащие источник гамма-излучения, размещенный в блоке из тяжелого материала, например свинца, два коллиматора гамма-квантов, представляницие собой блоки тяжелого материала, например свинца, с полостями в форме призм, цилиндров, конусов или параллелепипедов, детектор гамма-излучения, помещенный в защитный экран из поглощающего гамма-излучения материала, например свинца. Твэл или мишень размещают между первым и вторым коллиматором.

Недостатком подобных установок является низкая точность результатов измерений распределения и содержания исследуемого вещества.

Известна установка, содержащая нейтронный монохроматор, помещенный около высокопоточного источника нейтронов, например реактора, ..нейтроновод, помещенный после монохроматора Нейтронов и представлякяций собой вакуумированную трубу, а также счетчик нейтронов. Твэл или мишень размещают у монохроматора.

Недостатками известной установки являются длительные экспозиции измерений, а также применение сложного громоздкого и дорогостоящего оборудования .

Наиболее близким техническим решением является устройство для нейтронно-абсорбционного анализа, содержащее корпус с блоком водородсодержащего вещества, в котором выполнены каналы для ввода и размещения источника нейтронов в анализируемого изделия, первый и второй коллиматоры размещенные в блоке, счетчик нейтронов, окруженный слоем поглощающего нейтроны вещества.

Коллиматоры представляют собой также блоки водородсодержащего вещества со сквозными отверстиями в виде цилиндров или параллелепипедов. В первом коллиматоре размещена пробка из замедляющего нейтроны вещества.

Коллиматоры стыкуются с каналом для протягивания детали. В установке

использован плутоний-бериллиевый источник нейтронов. Источник нейтронов коллиматоры, деталь и счетчик нейтронов во время измерения раз1 ещают на одной оси.

Прототип имеет низкую производительность, являющуюся следствием высокого уровня фона, обусловленного быстрыми нейтронами, попаданлцими на счетчик нейтронов от источника нейтронов, размещенного на прямой источник - деталь - счетчик, а также примнения щелевого или цилиндрического |Коллиматора нейтронов, поскольку плотность потока нейтронов на выходе таких коллиматоров пропорциональна площади его сечения.

Целью изобретения является повышение производительности анализа путем увеличения скорости счета пучка нейтронов и снижения уровня фона.

Цель достигается тем, что в устройстве для нейтронно-абсорбционного анализа, содержащем корпус с блоком водородсодержащего вещества, в котором выполнены каналы для ввода и размещения источника нейтронов и анализируемого изделия, первый и второй коллиматоры, размещенные в блоке, счетчик нейтронов, окруженный слоем поглощающего нейтроны вещества, первый коллиматор, длина которого выбрана в пределах 200 - 300 мм, выполнен с полостью в форме части усеченного конуса с углом раствора при вершине определяемым соотношением

70

Ч 1

tg |-,

arc

где - длина первого коллиматора,мм, второй коллиматор, длина которого выбрана в пределах 25-40 мм, выполнен из поглощающего тепловые и эпитепловяе нейтроны вещества с полостью в форме усеченного конуса с углом раствора при вершине, определяе.

мым соотношением

Oj,8 h

Ч 2 arc tg C

где h - радиус цилиндрического счетчика нейтронов, мм, J - длина второго коллиматора,мм толщина вещества, окружающего cleT- чик, составляет 25 - 35 мм, и канал 5 для ввода и размещения источника нейтронов вьшолнен в плоскости большего основания первого коллиматора вне полости коллиматора. 39 Часть конуса первого колпиматора у вершины отсекается поверхностью так, что площадь сечения соответству ет диаметру канала для анализируемого изделия. Нижняя часть конуса отсекается поверхностью, параллельной оси конуса, и проходящей через край сечения у вершины конуса. Второй коллиматор представляет собой цилиндр диаметром 100 - 150 мм из поглощающего тепловые и эпитепловые нейтроны вещества, например, карбида бора, с полостью в виде усеченного конуса длиной 25 - 40 мм и углом раствора Ч . Вещество, окружающее счетчик нейтронов, выбирают из класса веществ, поглощающих тепловые и эпитепловые нейтроны. Это может быть карбид бора толщина слоя которого составляет 25 35 мм. Коллиматоры нейтронов меньшими основаниями размещены вплотную к каналу для анализируемого изделия, канал для ввода и размещения источника нейтронов расположен в плоскости большего основания коллиматора вне полости на расстоянии 60 - 80 мм от края полости. Источник нейтронов калифорниевый с потоком На фиг. 1 схематически изображено устройство для нейтронно-абсорбционного анализа , на фиг. 2 - полость первого коллиматора из парафина; на фиг. 3 - график зависимости скорости счета детектора нейтронов (отн.ед от длины первого коллиматора; на фиг. 4 - график зависимости скорости счета детектора нейтронов (отн.ед.) от угла f , на фиг. 5 - график зависимости скорости счета детектора нейтронов от длины второго коллиматора; на фиг. 6 - график зависимости скорости счета детектора нейтронов от углаЧ, Устройство содержит корпус в виде основания 1 и присоединенную к нему перегородку 2, к которой с одной сто роны крепится первый коллиматор 3 с полостью 4 в виде части усеченного конуса. Коллиматор 3 размещен в блоке водородсодержащего вещества 5. В водородсодержащем веществе 5 сделан канал 6 для ввода и размещения источ ника 7 нейтронов, например калифорни вого. С другой стороны перегородки прикреплен цилиндрический борный блок 8. В блоке 8 размещен канал 9 для ввода и протягивания анализируе4мого изделия, второй коллиматор 10 с коллимационной полостью, за которой размещен счетчик 11 нейтронов, например, типа СНН-18. Информация со счетчика 11 выводится с помощью сигнального кабеля 12. Борный блок 8 окружен водородсодержащим веществом 5. Полость 4 первого коллиматора из парафина представляет собой часть усеченного плоской или вогнутой внутрь поверхностью 13 (фиг. 2), расположенной параллельно оси 14, конуса . Длина первого парафинового и второго борного коллиматоров выбрана из следукнцих соображений: длины коллиматора меньше 200 и 25 мм соответственно приводят к возрастанию фона, а длины больше 300 и 40 мм соответственно к снижению скорости счета без заметного уменьшения фона. Расстояние от края полости пара-, финойого коллимационного конуса до канала для размеще яия источника нейтронов выбирается из соображений максимальности значения отношения скоростей счета нейтронов пучка и фона. Оптимальность длины первого коллиматора определяют по отношению скорости счета, нейтронов открытого пучка N. к скорости счета N нейтронов пучка, прошедшего через борный фильтр, в зависимости от длины первого коллиматора (фиг. 3). Источник размещают на оси коллиматоров в плоскости большего основания первого коллиматора (кривая 15), на оси коллиматора внутри парафинового замедлителя на расстоянии 35 мм от плоскости большего основания (кривая 16), а также в плоскости большего основания на расстоянии 70 мм от края полости вне ее (кривая 17). Максимальное отношение сигнала к фону, а следовательно, минимальный фон наблюдаются при размещении источника в плоскости большего основания полости вне ее (кривая 17), С увеличением длины первого коллиматора L от О до 20Q мм отношение сигнала к фону резко возрастает. С дальнейшим увеличением длины первого коллиматора рост отношения замедляется, а скорости счета нейтронов пучка продолжает падать. Таким образом, для получение низкого значения относительного уровня фона длина первого коллиматора должна быть больше 200 мм, но, с другой стороны, увеличение длины приводит к уменьшению скорости счета нейтронов пучка, отсюда увеличение длины первого коллиматора выше 300 мм не является целесообразным. Таким образом, оптимальной длиной первого коллиматора является 200 - 300 мм. Оптимальность угла раствора при вершине первого коллиматора опреде- ляется по зависимости скорости счета нейтронов пучка N, (кривая 18 на фиг. А) и зависимости отношения скорости счета нейтронов пучка уровню фона (кривая 19 на фиг.4) от угла раствора при вершине первого коллиматора. Скорость счета максимальна, а относительный вклад фона минимален при угле раствора коллиматора & , равном 0,28 рад. Возрастание скорости счета при увеличении 0 от О до 0,28 ра объясняется увеличением светящейся поверхности коллиматора, с которой нейтроны Попадают на детектор. Спад скорости счета полезного пучка нейтронов при увеличении угла раствора вьш1е 0,28 рад объясняется уменьшение плотности потока нейтронов на светящейся поверхности коллиматора, которое возникает вследствие образования большой полости вблизи источника нейтронов. Величина радиуса большего основания полости первого коллиматора при длине коллиматора 200 мм и угле раствора 00,28 рад составляет 70 мм. Отсюда в пределах используемы длин коллиматора 200 - 300 мм относительньш угол раствора при вершине описывается вьфажением arc tg |- , где 1 - длина коллиматора. Длина второго коллиматора определяется условием минимума величины фона относительно скорости счета Нейтронов пучка. С этой целью измеряют отношение скорости счета фона N к скорости счета нейтронов пучка N в зависимости от длины второго коллиматора. Данная зависимость изображена на фиг. 5 кривой 20. От носительный вклад фона резко падает при увеличении длины второго коллиматора до значений 25 - 40 мм, затем уменьшение фона замедляется, в то время как скорость счета нейтронов пучка все время убывает по закону, близкому k ( ), где I „- эфш т Ket фективная длина счетчика нейтронов при его аппроксимации тонким счетчиком. Для определения оптимального угла раствора при вершине второго коллиматора рассчитьгоают зависимость скорости счета детектора СНМ-18 N от величины угла Ц) при вершине второго коллиматора. Датчик 11 размещают так, что ось его совпадает с осью 14 коллиматора. Расходящийся пучок нейтронов имитируют точечным изотропным источником находящимся на пересечении коллимационной оси 14 с осью системы анализируемого изделия. Поток нейтронов считывают монохроматическим с энер гией 0,025 эВ. Рассчитанная зависимость скорости счета NP нейтронов пучка от угла раствора при вершине второго коллиматора Ч приведена на фиг. 6 (кривая 21) для длины второго коллиматора 35 мм. Для длины коллиматора 25 - 40 мм угол его раствора 4 20 составляет 0,27 - 0,42 рад, поскольку дальнейшее увеличение угла раствора не приводит к увеличению скорости счета N. Полученный интервал углов раствора при вершине второго коллиматора (0,27-0,42 рад) для интервала длин коллиматора 25-40 мм хорошо описывается выражением 4, 2 arc tg . , Для определения толщины вещества второго коллиматора исследуют зависимость скорости счета нейтронов ка.лифорниевого источника от толщины на сыпного карбида бора, окружающего счетчик нейтронов. Источник 7 и счетчик нейтронов 11, окруженный насыпным карбидом бора, размещают в водородсодержащем веществе 5. Расстояние от источника 7 до счетчика 11 составляет 200 мм. При увеличении толщины карбида бора от О до 25 - 35 мм скорость

счета резко падает, затем переходит в медленно меняющуюся функцию. Поскольку регистрируемые нейтроны в данном случае являются фоновыми, оптимальная толщина вещества второго коллиматора составляет 25 - 35 мм.

Устройство работает следующим образом.

Источник 7 размещают в канале 6. Измеряют скорость счета счетчика 11 без анализируемого изделия. Размещают изделие в канале 9 на пути пучка ней.тронов. Измеряют скорость счета счетчика 11с изделием. По величине отношения скоростей счета определяют

количество вещества, находящегося на участке изделия; облучаемом пучком нейтронов.

Устройство позволяет повысить производительность нейтронно-абсорбционного анализа в 8 - 10 раз по сравнению с устройством-прототипом. Так, для калифорниевого источника с потоком 10 к/с на анализ одной точки изделия с погрешностью 1% требуется время JlOO с при работе с пред лагаемым устройством, в то время как на установке-прототипе требуется время более 1000 с.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОАБСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗА, содержащее корпус с блоком водородосодержащего вещества,- в котором выполнены каналы для ввода и размещения источника нейтронов и анализируемого изделия, первый и второй коллиматоры, размещенные в блоке, счетчик нейтронов, окруженный слоем поглощающего нейтроны вещества, отличающееся тем,, что, с целью повьппения производительности анализа путем увеличения скорости счета пучка нейтронов и снижения уровня фона, первый коллиматор, длина которого выбрана в пределах 200 - 300 мМ, выполнен с полостью в форме части усеченного конуса с углом раствора при вершине, определяемым соотношением 70 t. arc tg -- , де t, - длина первого коллиматора,Mt, второй коллиматор, длина которого выбрана в пределах 25 - 40 мм, выполнен из поглощающего тепловые и эпитепловые нейтроны вещества с полостью в форме усеченного конуса с (Л углом раствора при вершине, опредес ляемым соотношением Лр 2 arc tg со о где h В, радиус цилиндрического счет чика нейтронов; ел длина второго коллиматора,мм толщина вещества, окружакяцего счетел чик, составляет 25 - 35 мм, канал сх для ввода и размещения источника нейтронов выполнен в плоскости большего основания первого коллиматора вне полости коллиматора.

0

N

10

/7

т

200

if.MM

Фиг.3

(р

W

ш с

I/o/w %

т

250

6 (is (У je.

6 0,9 т.

о Фиг.4

А

Nip

гг

Ю

ii.mt

Фиг.5

fQ-f

Фиг.б