Детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления

 

1. ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АКТОВ РАДИАЦИОННОГО ЗАХВАТА НЕЙТРОНОВ И ДЕЛЕНИЯ, имеющий область пропускания нейтронов, содержащий не связанные между собой сцинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления, а также точности идентификации зтих актов, между кристаллическими сцинтилляторами и областью пропускания нейтронов, вызывающих акты радиационного захвата и деления, расположен водородсодержащий жидкий Гсцинтиллятор, в который введено вещество, поглощающее нейтроны, разделенный на светоизолированные секции, каждая из которых (Л оптически соединена со своим фотоумножителем , причем секции с жидким сцинтиллятором имеют одина ковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора. 2. Детектор поп.1,отличающ и и с я тем, что в качестве поглощающего нейтроны вещества, введенного в жидкий сцинтиллятор, испольсо зован триметилборат. 00 00 О)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (!9} ())) 4(5)} G 01 Т 3/00 1/34

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3615535/18-25 (22) 05.07.83 (46) 15 ° 06 85. Бюл. И 22 (72) Г.В. Мурадян, Ю.Г. Щепкин, М.А. Восканян и Ю.В. Адамчук (53) 539.1.074.83 (088.8) (56) 1. Адамчук Ю.В., Восканян М.А., Жук В.И, и др. Труды IV Всесоюзной конференции по нейтронной физике.

Киев, 1977, иэд. "Москва", ч. 3, с. 113 1977, Методика измерения нейтронных сечений и квантовых характеристик ядерных уровней.

2. Отчет Института атомной энергии им, И.В. Курчатова В 50.05/57 эа 1981 г ° (прототип). N гос.регистрации У79104. Разработка методики измерения сечений захвата ядер с высокой удельной радиоактивностью. Измерение величины альфа И-235 в интервале энергий до 50 кэВ с точностью лучше 5%, (54)(57) 1. ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

АКТОВ РАДИАЦИОННОГО ЗАХВАТА НЕЙТРОНОВ И ДЕЛЕНИЯ, имеющий область пропускания нейтронов, содержащий не связанные между собой сцинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления,.а также точности идентификации этих актов, между кристаллическими сцинтилляторами и областью пропускания нейтронов, вызывающих акты радиационного захвата и деления, расположен водородсодержащий жидкий сцинтиллятор, в который введено вещество, поглощающее нейтроны, разделенный на светоизолированные секции, каждая из которых оптически соединена со своим фотоумножителем, причем секции с жидким сцинтиллятором имеют одина"ковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора.

2. Детектор по п.1, о т л и ч а ю- шийся тем, что в качестве поглощающего нейтроны вещества, введенного в жидкий сцинтиллятор, использован триметилборат.

3 1131

Изобретение относится к измерению ядерных излучений и может быть использовано для получения нейтронных сечений и их отношений, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, в частности, реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, для более точных расчетов защиты от нейтронного излучения и т.п.

Известен детектор для регистра— ции актов радиационного захвата нейтронов и деления (11, содержащий светоизолированные кристаллы NaJ(TI) сложной конфигурации, которые жестко связаны между собой, и (и- $) Koíвертер, состоящий из смеси парафина и бора- 10. Конвертер предназначен для преобразования нейтрона в -квант и служит защитой кристаллов 20

ИаЗ(Т ) от нейтронов, рассеянных на исследуемом образце, который вводит— ся в центр детектора. Детектор имеет 47 -геометрию. Идентификация актов захвата и деления основана 25 на спектрометрии множественности

/-квантов и нейтронов, образующихся в этих актах.

Однако эффективность регистрации таким детектором актов захвата и деления, а также точность идентификации этих актов весьма невысоки, Причиной этого являются в конечном ито10 ге жесткая связь между светоизолированными кристаллами и форма послед35 них.

Наиболее близким по своей технической сущности является детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтронов и деления j2), 40 имеющий область пропускания нейтро.нов, содержащий не связанные между собой сцинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя. В качестве сцинтиллятора 45 использованы кристаллы 11аЛ(T1t) .

Кристалл каждого сцинтиблока имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Сцинтиблоки собраны в 4п-геометрии. Иежду сцинтиблоками и областью, 50 через которую проходит пучок нейтронов, вызывающих акты захвата и деления в исследуемом образце, помещаемом в центре детектора, размещен (й - )-конвертер, состоящий из сме- 55 си парафина и бора-10, Он предназн чен для преобразования нейтрона в гамма-квант и служит защитой кристал336 2 лов NaJ(T7) от рассеянных на исследуемом образце нейтронов (т.е. с

его помощью исключается регистрация актов рассеяния), Идентификация актов захвата и деления основана на спектрометрии множественности гаммаквантов и нейтронов, образующихся в этих актах. Причем нейтрон регистрируется по гамма-кванту с энергией

480 кэВ, образующемуся при захвате нейтрона ядром бора-10.

Однако эффективность регистрации с помощью указанного детектора актов захвата и деления, а также точность идентификации этих актов недостаточно высоки. Это является следствием использования (и — /)-конвертера, которое приводит к частичной потере числа и энергии гаммаквантов, вылетающих в актах захвата и деления и регистрируемых кристаллами ИаЗ(ТМ). Этот недостаток особенно сильно проявляется в области энергий, вызывающих акты захвата и деления нейтронов выше нескольких кэВ, когда для надежного исключения регистрации актов рассеяния необходимо испольэовать достаточно толстый -10 г/см ) конвертер, Целью изобретения является повьппение эффективности регистрации актов радиационного захвата нейтрона и деления, а также точность идентификации этих актов, Для достижения указанной цели в детектор для регистрации актов радиационного захвата нейтрона и деления, имеющий область пропускания нейтронов, содержащий не связанные между собой сцинтиблоки на основе кристаллического сцинтиллятора и фотоумножителя, между кристаллическими сцинтилляторами и областью пропускания нейтронов, вызывающих акты радиационного захвата и деления, расположен водородсодержащий жидкий сцинтиллятор, в который введено вещество, поглощающее нейтроны, и который разделен на светоиэолированные секции, каждая из которых оптически соединена со своим фотоумножителем, причем секции с жидким сцинтиллятором имеют одинаковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора, а также тем, что в качестве вещества, поглощающего нейтроны, использован триметилборат.

Количество водородсодержащего жидкого сцинтиллятора и введенного в него триметилбората выбрано так, чтобы не допустить попадания в кристаллические сцинтилляторы нейтронов, вылетающих иэ исследуемого образца.

Использование жидкого сцинтиллятора, удовлетворяющего указанным требованиям, дает возможность увеличить эффективность регистрации гамма-квантов, увеличить эффективность .регистрации нейтронов, так как нейтрон (в частности, нейтрон деления) может, быть зарегистрирован как по протону отдачи, образующемуся при рассеянии нейтрона на ядре водорода, так и по гамма-кванту, образующемуся при захвате замедляющегося в жидком сцинтилляторе нейтрона ядром бора, содержащегося в триметилборате, увеличить эффективное число секций детектора, практически исключить регистрацию актов рассеяния. В результате повышается эффективность регистрации актов захвата и деления, а также точ. ность идентификации этих актов.

На фиг.1 схематически представлен общий вид детектора, на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 — принцип использования детектора и его работа, на фиг ° 4 — результаты измерений, проведенных с помощью прототипа и предложенного детектора.

Детектор содержит сцинтиблоки 1 на основе кристаллов NaJ(TI) 2, область 3, через которую проходит пучок нейтронов, вызывающих акты захвата и деления, пучок нейтронов 4, вызывающих акты захвата и деления, секции 5 с жидким сцинтиллятором, водородсодержищий жидкий сцинтиллятор 6, фотоумножители 7, исследуемый образец 8, гамма-квант 9, образующийся в актах захвата и деления, нейтрон 10, образующийся в актах деления и рассеяния, вторич-, ный гамма-квант 11, образующийся при захвате нейтрона ядром бора, протон отдачи 12, образующийся в процессе замедления нейтрона при рассеянии на ядрах водорода.

На фиг.1 кривая 13 †.спектр множественности спонтанного деления (распределение числа частиц,иск

1131336 пускаемых в акте деления) калифорния-252, измеренный с помощью прототипа, кривая 14 — спектр множественности спонтанного деления кали5 форния-252, измеренный с помощью предлагаемого детектора.

Предложенный детектор содержит не связанные между собой сцинтиблоки 1 на основе кристаллов Яа(ТЮ) 2.

Кристалл каждого сцинтиблока выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда. Соседние сцинтиблоки расположены вплотную друг к другу. Между кристаллами 2 и областью 3, через которую проходит пучок нейтронов 4, расположены светоиэолированные секции 5. В водородсодержащий жидкий сцинтиллятор 6 введен триметилборат. Сцинтиллятор каждой секции оптически соединен со своим фотоумножителем 7. Секции имеют одинаковые размеры и расположены симметрично относительно центра детектора. В собранном виде детектор имеет 4»-геометрию.

В качестве жидкого сцинтиллятора с введенным в него веществом,,поглощающим нейтроны, служит стандартный жидкий сциктиллятор с введенным в него триметилборатом, причем минимальная толщина этого раствора в направлении, перпендикулярном продольной оси детектора, составляет

15-30 см.

Опытным путем была найдена толщина этого раствора, равная 15 см при регистрации нейтронов с энергией Ея < 700 кэВ, 22 см при 0,7 ИэВ<

+ Еп - 1,1 МэВ и 30 см при

1,1 МэВ < Е„1,4 МэВ.

40 Принцип работы и использования детектора следующий.

Исследуемый образец 8 вводится в центр детектора. Детектор устанавливается на коллимированный пу45 чок нейтронов 4, который падает на исследуемый образец 8, установленный в области, через которую проходит пучок нейтронов, и вызывает в нем акты захвата, деления и рассея50— ния. При этом в образце 8 образуются гамма-кванты 9 и нейтроны 10, которые вылетают иэ образца 8 и попадают в сцинтилляторы 2 и 6 ° Гамма-кванты

9 регистрируются сцинтиблоками 1 и секциями 5. Нейтрон 10, если он медленный (рассеянный на исследуемом образце 8 низкоэнергичный нейтрон пучка 4), попадает в сцинтил1131336

43

Ж

55 лятор 6 и захватывается ядром бора, содержащегося в триметилборате, образуя при этом вторичный гаммаквант 11 с энергией 480 кэВ,который регистрируется секциями 1 и 5. Быстрые же нейтроны 10 (нейтроны деления, рассеянные на исследуемом образце 8 высокоэнергичные нейтроны пучка 4), попадая в сцинтиллятор 6, замедляются в нем, рассеиваясь на ядрах водорода, захватываются ядрами бора и регистрируются как в секциях 5 (по протонам отдачи 12), так и в секциях 1 и 5 по вторичным гамма-квантам 11. Количес во сцинтиллятора 6 и вводимого в него триметилбората выбрано так, чтобы в сцинтилляторе 6 поглотить практически все нейтроны 10 и тем самым исключить их попадание в кристаллы

2. Последнее необходимо для исключения регистрации актов рассеяния, Идентификация актов захвата и деления основана на спектрометрии множественности -квантов и нейтронов.

Предложенный детектор регистрирует -кванты и нейтроны 6, образующиеся при взаимодействии падающих нейтронов с исследуемыми ядрами.

Идентификация актов захвата и деления основана на снектрометрии множественности вылетающих из ядра частиц, которая различна для указанных актов, а именно, при захвате испускается в среднем 3-4 II -кванта, при делении — в среднем 7-8 †квант и 2-3 нейтрона, Сцинтиблоки с кристаллическим сцинтиллятором и секции с жидким сцинтиллятором включаются на совпадения и измеряется распределение числа 8 зарегистрированных событий от кратности k совпадений. При этом исключаются события, ретистрация которых сопровождается суммарным энерговыделением во всем детекторе

Е » 480 кэВ. Тем самым исключается регистрация актов рассеяния, так как при рассеянии образуется один нейтрон, который, попадая в водородсодержащий жидкий сцинтиллятор, замедляется в нем в процессе рассеяния на ядрах водорода и захватывается ядром бора-10, содержащимся во введенном в жидкий сцинтиллятор триметилборате, испуская при этом один -квант с энергией 480 кэВ.

Из полученного распределения определяются числа зарегистрированных актов захвата и деления, Измеренное распределение представляет собой сумму двух распределений, одна из которых соответствует захвату, другая — делению. 3ти составляющие распределения вследствие неидеальности детектора частично перекрываются. Чем меньше степень их перекрытия, тем выше точность идентификации актов захвата и деления. Степень перекрытия уменьшается, если распределение, соответствующее делению, смещается в сторону высоких кратностей совпадений и при этом в ту же сторону не смещается распределение, соответствующее захвату, Именно это и достигается заявляемым детектором, что и показано на фиг.4 описания изобретения. Распределение, соответствующее делению, смещается в сторону высоких кратностей совпадений вследствие увеличения эффективного числа секций детектора (добавляются секции с жидким сцинтиллятором), уменьшения паразитного поглощения )" -квантов деления в детекторе и увеличения числа регистрируемых агентов деления (добавляется 2-3 протона отдачи, регистрируемых жидких сцинтиллятором). При этом распределение, соответствующее захвату, не смещается, поскольку для этого нет никаких предпосылок.

В качестве кристаллического сцинтиллятора используется NaJ(TE).

Количество сцинтиблоков с этими кристаллами и их размеры должны быть такими, чтобы удовлетворялись следующие требования: число независимо работающих сцинтиблоков должно быть много больше числа частиц, вылетающих из ядра в одном акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемым образцом, эффективность F1g регистрации -кванта с энергией 1 МэВ (средняя энергия образующихся при захвате и делении g -квантов) кристаллом должна быть по мере воэможности высокой (близкой к 1007), вероятность „ регистрации Ig -кванта более чем одним сцинтиблоком должна быть минимальной1 сцинтиблоки должны быть одинаковыми.

1131336 8

55

Исходя из этих требований выбраны следующие значения числа сцинтиблоков и .их размеров:

А. Детектор с жидким сцинтиллятором толщиной 15 и 22 см — число сцинтиблоков 32, размеры кристаллов 126<126х300 мм.

Б. Детектор с жидким сцинтиллятором толщиной 30,.см — число сцинтиблоков 48, размеры кристаллов

126л126 450хмм.

При толщине кристаллов Иа(ТХ)

126 мм у составляет 953. Увеличение размеров кристаллов с целью увеличения 1 и уменьшения (без уменьшения количества секций) приводит к неприемлемо большим значениям регистрируемого естественного фона.

Число секций с жидким сцинтиллятором равно 16 по всех трех приведенных в описании изобретения примерах.

Увеличение эффективности регистрации актов захвата и деления дости,гается вследствие уменьшения паразитного поглощения в детекторе -квантов захвата и деления, так как поглощающий конвертер прототипа из смеси бора-10 и парафина saменяется сцинтиллирующим раствором.

Предложение позволяет повысить эффективность регистрации актов радиационного захвата нейтрона и деления, а такх;е точность идентификации этих актов. Фиг.4 наглядно демонстрирует преимущества предлагаемого детектора. Из нее видно, что спектр множественности деления, измеренный с помощью предлагаемого детектора (кривая 14), сдвинут вправо по сравнению со спектром множес венности деления, измеренным с помощью прототипа (кривая 13).

Такой сдвиг является результатом увеличения эффективности регистрации гамма-квантов, регистрации нейтронов секциями с жидким сцинтиллятором, а также увеличения эффективного числа секций детектора.

Как следствие такого сдвига, точность идентификации актов захвата и деления повышается примерно в 23 раза. Повышение эффективности регистрации гамма-квантов и нейтронов приводит также к повышению эффективности регистрации актов захвата и де ления. Например, эффективность ре10

IS

45 гистрации актов деления предлагаемым детектором составляет 957 по сравнению с 80Х достигнутыми на прототипе.

Вследствие повышения точности идентификации актов захвата и деления, а также эффективности регистрации этих актов повышается точность измерения сечений радиационного захвата и деления, а также их отношения. Предложение позволяет получить точности, необходимые для оптимизации ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножите" лей на быстрых нейтронах, а также для оптимизации топливного цикла.

С помощью предложенного детектора можно измерять с требуемой для указанной оптимизации точностью нейтронные константы основных топливно-сырьевых материалов, например, величину альфа урана-235 и плутония-239 в области энергий нейтро" нов до 1 ИэВ, сечение радиационного захвата нейтронов ядрами урана-235, урана-238 и плутония-239 в этой же области. энергий и т.п.

Повышение точности измерения указанных величин до требуемых значений позволяет минимизировать запасы, закладываемые при конструировании активной зоны ядерных реакторов, их защиты, технических средств обращения с отработавшими тепловыделяющими элементами, при расчете загружаемого в реактор топлива и т.п. Сведение этих запасов к минимуму дает экономию больших материальных средств.

3а базовый объект выбран прототип.

Технические преимущества заявля- емого детектора в сравнении с базовым следующие:

1) высокая эффективность регистрации актов захвата и деления (эффективность регистрации актов деления составляет 95X) и отсутствие ошибки, связанной с незнанием этих эффективностей;

2) высокая точность идентификации актов захвата и деления (степень разделения актов захвата и деления выше в 2-3 раза).

В результате точность измерения, например, сечения захвата основных топливно-сырьевых материалов повышается в 2-3 раза.

1131336

1131336

5х30

5 10 ираанасть со3пабений ) Ai ./

Корректор М. Самборская

Техред А.Бабинец

Редактор С. Титова

Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 4469/1

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4