Способ определения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей и устройство для его осуществления

 

Использование: метрология нейтронного излучения и регистрация тепловых нейтронов в реальных нейтронных полях. Сущность изобретения: предложение основано на пропускании тепловых нейтронов через поглотители. При этом узкие направленные пучки тепловых нейтронов создают с помощью формирователя пучков, который образован наружным кадмиевым экраном и m парами коллинирующих окон кадмиевого коллиматора-держателя со съемными поглотителями нейтронов, размещенного на конце поверхности. Сформированные пучки тепловых нейтронов одинаковы по направлению, размерам поперечных сечений и пробегам в счетчике и в поглотителях, 2 с.п. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а именно плотности потока тепловых нейтронов от источников в замедлителях, создающих поля нейтронов во внутренних полостях замедлителей, используемые в нейтронной технике и метрологии нейтронного излучения. Известны активационные способы измерения и детекторы тепловых нейтронов, применяемые для измерения плотности потоков тепловых нейтронов как в диффузионных полях, так и в широких и направленных пучках нейтронов. Способ базируется на рекомендованных компилированных справочных данных по нейтронным сечениям детекторов и заключается в активации материала детектора с известным сечением взаимодействия с нейтронами определенных энергий с последующим измерением в нем наведенной активности, по величине которой определяют плотность потока нейтронов. Недостатком известных способа и устройства на основе активационных детекторов при использовании их для измерений плотностей потоков тепловых нейтронов ϕ_т является недостаточная чувствительность к малым значениям ϕ_т, большое время, требуемое для облучения и измерения, трудоемкость при обработке результатов измерения, необходимость введения поправок на поглощение детекторами, что снимает точность измерений. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является техническое решение, в соответствии с которым измерение ϕ_т в полостях замедлителей осуществляют путем регистрации скоростей счета импульсов без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном с помощью устройства детектирования, содержащего Не-3 газоразрядный счетчик в полиэтиленовом замедлителе или без него (или другой I/v детектор нейтронов, в котором эффективное сечение взаимодействия обратно пропорционально скорости нейтронов), соединенный последовательно с цепью усилителя, дискриминатора и регистратора импульсов. Устройство детектирования предварительно градуируют по чувствительности, измеряя разность скоростей счета импульсов без и с кадмиевым экраном на образцовых установках с внутренними полостями в замедлителях, аттестованных по плотности потока тепловых нейтронов ϕ_т с применением, например, активационных детекторов. Чувствительность s определяют из отношения кадмиевой разности Δn_cd к ϕ_т, а затем измеряют кадмиевую разность Δn_cd^x импульсов в аналогичных (используемых при градуировке) внутриполостных неизвестных по интенсивности полях тепловых нейтронов других источников и находят для них значения потока ϕ_т^х по соотношению ϕ^x_T = , (1) Недостатком этого технического решения является то, что устройства детектирования требуют трудоемких предварительных градуировок на дорогостоящих образцовых установках с внутренними полостями, а после этого могут использоваться только для относительных измерений неизвестных полей тепловых нейтронов, строго говоря, близких по характеристикам к полям в используемых образцовых установках. Т.е. способ имеет ограниченную область применения, в которой результаты измерений достоверны. Целью изобретения является повышение достоверности измерений ϕ_т и расширение диапазона измерений ϕ_т в область малых значений. Это распространяет применение способа и устройства на более широкую область полей тепловых нейтронов (от разнообразных источников в различных замедлителях) за счет обеспечения условий для абсолютных измерений. Указанная цель достигается тем, что в способе определения плотности потока тепловых нейтронов во внутренних полостях замедлителей с помощью газоразрядного Не-3-счетчика, включающем измерение скоростей счета импульсов от нейтронов без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном, формируют m, где m>1, узких коллимированных пучков тепловых нейтронов сечением S_к.п каждый, проходящих через диаметральные плоскости счетчика, с помощью кадмиевого коллиматора-держателя с m парами одинаковых окон, пропускают коллимированные пучки тепловых нейтронов через поглотители с известными поглощающими способностями относительно счетчика и через счетчик без поглотителей в его диаметральной плоскости, измеряют скорости счета импульсов без кадмиевого экрана без поглотителей n₁ и с поглотителями n₂ и скорости счета импульсов с кадмиевым экраном без поглотителей n₃ и с поглотителями n₄, далее определяют плотность потока тепловых нейтронов ϕ_т, испускаемых частями поверхности внутренней полости замедлителя источника тепловых нейтронов, сформированного окнами коллиматора и кадмиевым экраном как ϕ_Т = (2) где S_к.пΣ- суммарное сечение коллимированных пучков тепловых нейтронов, образованных m парами окон кадмиевого коллиматора-держателя; K_п=1 - - коэффициент поглощения тепловых нейтронов поглотителями; K_ε^l - отношение экспериментальных значений поглощающей способности счетчика и среднего значения поглощающей способности поглотителей в коллимированном направленном пучке тепловых нейтронов сечением S_к.п. Цель достигается также тем, что в устройство для измерения плотности потока тепловых нейтронов, содержащее газоразрядный Не-3-счетчик, соединенный последовательно с цепью из усилителя, дискриминатора и регистратора импульсов, и наружный кадмиевый экран, введены m, где m>1, съемных поглотителей нейтронов и размещенный на конце счетчика с охватом части его боковой поверхности кольцевой кадмиевый коллиматор-держатель съемных поглотителей, снабженный m парами расположенных друг против друга узких коллимирующих окон сечением S_к.п, внутри коллиматора-держателя между каждой парой окон установлен съемный поглотитель, а коллимирующие окна и наружный кадмиевый экран образуют формирователи узких коллимированных направленных пучков тепловых нейтронов, одинаковых по направлению, размерам поперечных сечений и пробегам в счетчике и поглотителях. Кроме того, цель достигается и тем, что в качестве съемных поглотителей использованы таблетки из бора, размещаемые в кадмиевом коллиматоре-держателе посредине между окнами каждой пары окон и имеющие одинаковую поглощающую способность тепловых нейтронов со счетчиком в его диаметральной плоскости. Предложенная последовательность операций, выбор условий формирования пучка нейтронов и условий измерений позволяют формировать пучки тепловых нейтронов таким образом, что применение к ним известной методики пропускания обеспечивает условия для абсолютных измерений. При этом пучки тепловых нейтронов сформированы так, что для каждого из них число сосчитанных одним счетчиком тепловых нейтронов равно числу нейтронов, поглощенных столбиками из Не-3 сечением S_к.п и диаметром счетчика, и сумма их равна Δn_(1-3)-(2-4)=(n₁-n₃)-(n₂-n₄) в соответствии с обозначениями в формуле (1), а эта величина с учетом коэффициента поглощения К_п дает число падающих нейтронов от части внутренней поверхности замедлителя источника нейтронов, суммарная площадь которых S_теней образуется m парами окон коллиматора и наружным кадмиевым экраном. Величина S_теней определяется геометрическими размерами S_к.п m пар окон коллиматора и расстоянием детектора от поверхности внутренней полости источника - r. Обеспечение же условий для абсолютных измерений позволяет повысить достоверность измерений ϕ_т и расширить диапазон измерений в сторону малых значений по сравнению с активационным методом. На фиг. 1 и 2 представлено устройство для определения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей и его расположение относительно источника нейтронов с внутренней полостью в замедлителе. На чертеже обозначено: газоразрядный Не-3-счетчик 1, кадмиевый экран 2 счетчика 1, кадмиевый коллиматор-держатель 3 съемных поглотителей 4 (число поглотителей m>1), m пар окон 5 коллиматора-держателя 3, наружный кольцевой кадмиевый экран 6, соединенная с выходом счетчика 1 цепь из последовательно включенных усилителя 7, дискриминатора 8 и регистратора 9; внутренняя полость 10 замедлителя источника нейтронов. Кольцевой коллиматор-держатель 3 съемных поглотителей 4 размещен на конце счетчика с охватом части его боковой поверхности. Съемные поглотители 4 выполнены из бора. Счетчик 1, кадмиевый экран 2, коллиматор-держатель 3 со съемными поглотителями 4 и окнами 5 и кольцевой наружный кадмиевый экран 6 образуют блок детектирования. Окна 5 коллиматора-держателя 3 расположены относительно счетчика таким образом, чтобы в их сечение S_к.п не попадали торцевые элементы держателя нити счетчика 1, а ширина каждого окна коллиматора не превышала 0,3 счетчика. Измерение плотности потока тепловых нейтронов во внутренней полости 10 замедлителя источника нейтронов осуществляется следующим образом. Блок детектирования с кадмиевым коллиматором-держателем 3, у которого количество пар окон m-6, устанавливают внутри полости 10 замедлителя источника нейтронов в точке, в которой необходимо измерить ϕ_т. С требуемой статистической точностью ( ≈1%) измеряют с использованием усилителя 7, дискриминатора 8 и регистратора 9 скорости счета импульсов n₁, n₂, n₃, n₄ соответственно без наружного кадмиевого экрана 6 и без поглотителей 4; без наружного экрана и с поглотителями; с наружным экраном и без поглотителей; с наружным экраном и с поглотителями. По кадмиевым разностям n₁-n₃= Δn_(1-3) n₂-n₄= Δn_(2-4)
Δn_(1-3)-(2-4)= Δn_(1-3)- Δn_(2-4) и по известному методу пропускания нейтронов определяют значение пропускания Т тепловых нейтронов борными поглотителями:
T = и затем коэффициент поглощения борными поглотителями по соотношению
K_погл=1-T=1 -
Значение плотности тока тепловых нейтронов ϕΩ- от m=6 излучающих "пятен" внутренней полости замедлителя источника определяется по формуле
= (1) где K_ε^l - отношение поглощающей способности счетчика к среднему значению поглощающей способности борных поглотителей, определяемому в коллимированном направленном пучке тепловых нейтронов;
S_к.пΣ- cуммарное сечение 6-ти коллимированных пучков. Экспериментальная проверка способа и работы устройства была выполнена на основе нейтронного радиометра РПН-07 со счетчиком СНМ-16 с незакадмированным концом длиной 28 мм дополненного коллиматором-держателем 3, т.е. с помощью блока детектирования с 6-ю парами окон размером 11,5х3,5 мм, размещенных равномерно на кадмиевом коллиматоре-держателе 3, выполненном в виде двух концентрических цилиндров диаметрами 60 мм и 20 мм. Съемные поглотители выполнены из В₄С (Δ=23,1 мг/см²) и установлены внутри коллиматора-держателя между его цилиндрами на алюминиевом кольце диаметром 40 мм. Поглотители из В₄С в меле были изготовлены в виде таблеток, запрессованных в фольгу из алюминия. Измерения проводились для трех нейтронных полей во внутренних полостях замедлителей типов ГП-35В, РЭ и ГП-20В. ГП-35В - в центре кубической полости 70˙70˙70 см графитовой призмы размером 190˙190˙250 см с Рu²³⁸ (α-Be) - источником Q=1,87˙10⁷ н/с на расстоянии 35 см от ребра кубической полости. РЭ - в центре сферической полости диаметром 20 см полиэтиленового шара диаметром 55 см с 6-ю Pu²³⁹ (α-Be) источниками в слое замедлителя [ϕ_т=7849 н/см²˙с±2% (0,99)]. ГП-20В - в центре полости той же графитовой призмы с источником Q= 1,87˙10⁷ н/с на стенке полости призмы на расстоянии 20 см от ее основания. Предварительно каждая пара окон и соответствующий ей борный поглотитель были проградуированы в наружном поле тепловых нейтронов от графитовой призмы на расстоянии R=1 м от ее поверхности с ϕ_т^н=2,09 н/см²˙с. Для них были определены S_к.п окон и S_кп^ср', К_п - борных поглотителей, K_ε^l - отношение поглощающей способности счетчика к поглощающей способности борных поглотителей K_ε^l =1,175 и S_к.пΣ=6˙S_к.п^ср. Результаты этих измерений представлены в табл.1. Далее с помощью блока детектирования с количеством пар окон m=6 были измерены внутренние поля тепловых нейтронов ϕ_oΩ в полостях ГП-35В и РЭ-В, затем ГП-20В при допущении S_1-3^ГП-35=S_1-3^ГП-20 (т.е. по значениям чувствительностей), результаты этих измерений представлены в табл.2. Если ввести геометрический параметр для внутренней полости графитовой призмы как величину (K_Ω)_гп
(K_Ω)_гп = = = 108,4, т.е. отношение сферической поверхности радиусом r= 35 см S_сф.п=4 πr²=15386 см² к суммарной площади теней, образованных коллимационной системой блока детектирования с 6-ю парами окон, S_тенейΣ= 326,6 см², умноженное на площадь окон коллиматора S_о.кΣ= 2,304 см² (или отношение 4π- телесного угла к телесному углу "тени" Ω, умноженное на S_о.кΣ), то можно принять, что для ГП-35В плотность потока тепловых нейтронов в 4π- телесном угле равна ϕ_т⁴π. (ϕ_т⁴π)_ГП-35=(K_Ω)_ГП-35˙ϕΩ_ГП-35= =108,4˙32,82=3558 н/см²˙с
Для поля РЭ-8 по результатам аттестации ВНИИМ им. Менделеева (ϕ_т⁴π) _РЭ= 7849 н/см²˙с, а величина
=172,1 и = = 1,59
Экспериментально установлено, что если поле ПГ-35В принять за стандартное, то при использовании блока детектирования с 4π-чувствительностью с шаровым полиэтиленовым замедлителем ⊘ 62 (БД-62) на счетчике СНМ-16 выполняется соотношение:
=
(2)
Результаты измерения полей ГП-35В и ГП-20В с помощью БД-62 приведены в табл.3. В соответствии с формулой (2) значение ( ϕ_т⁴π)^ГП-20=7153 н/см²˙с. Предложенные способ и устройство для измерения ϕ_т во внутренних полостях замедлителей источников тепловых нейтронов обеспечивают измерение этой величины без предварительных градуировок БД по чувствительности на метрологических образцовых установках (т.е. абсолютным методом) без существенной потери чувствительности БД к тепловым нейтронам по сравнению с прототипом, а тем более по сравнению с активационными детекторами, т.е. повышают достоверность измерений ϕ_ти расширяют диапазон измерений ϕ_т в область малых значений; снижают трудоемкость и стоимость работ по градуировке измерительных устройств на образцовых установках; обеспечивают измерения с погрешностями, требуемыми для образцовых и рабочих средств измерений. Устройство несложно осуществить как дополнение к выпускаемым серийно нейтронным радиометрам РПН-07. Внешний размер устройства может быть сокращен до ⊘ 40 мм. Способ и устройство могут использоваться в метрологических работах при аттестации образцовых установок для измерения полей небольших интенсивностей, в работах по точным измерениям плотностей потоков тепловых нейтронов во внутренних полостях замедлителей сложных по структуре нейтронных источников в ядерно-физических исследованиях.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ В ПОЛОСТЯХ ЗАМЕДЛИТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 1. Способ определения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей с помощью газоразрядного Не_-3-счетчика, включающий измерение скорости счета импульсов от нейтронов без кадмиевого экрана и с кадмиевым экраном, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений за счет использования абсолютного метода и расширения диапазона измерений плотности потока тепловых нейтронов в область малых значений, формируют m, где m > 1, узких коллимированных пучков тепловых нейтронов сечением S_к.п. каждый, проходящих через диаметральные плоскости счетчика, с помощью кадмиевого коллиматора - держателя с m парами одинаковых окон, пропускают коллимированные пучки тепловых нейтронов через поглотители с известными поглощающими способностями относительно счетчика и через счетчик без поглотителя в его диаметральной плоскости, измеряют скорости счета импульсов без кадмиевого экрана без поглотителей n₁ и с поглотителями n₂ и скорости счета импульсов с кадмиевым экраном без поглотителей n₃ и с поглотителями n₄, далее определяют плотность потока тепловых нейтронов, ϕ_т , испускаемых частями поверхности внутренней полости замедлителя источника тепловых нейтронов, сформированного окнами коллиматора - держателя и наружным кадмиевым экраном как
,
где - суммарное сечение коллимированных пучков тепловых нейтронов, образованных m парами окон кадмиевого коллиматора - держателя;
- коэффициент поглощения тепловых нейтронов поглотителями;
K¹_ε - отношение экспериментальных поглощающих способностей счетчика и среднего значения поглотителей в коллимированном направленном пучке тепловых нейтронов сечением S_к.п.. 2. Устройство для измерения плотности потока тепловых нейтронов, в полостях замедлителей, содержащее газоразрядный Не_-3-счетчик, соединенный последовательно с цепью из усилителя, дискриминатора и регистратора импульсов, и наружный кадмиевый экран, отличающееся тем, что в него введены m, где m > 1, съемных поглотителей нейтронов и размещенный на конце счетчика с охватом части его боковой поверхности кольцевой кадмиевый коллиматор-держатель съемных поглотителей, снабженный парами расположенных друг против друга узких коллимирующих окон сечением S_к.п., внутри коллиматора-держателя между каждой парой окон установлен съемный поглотитель, а коллимирующие окна и наружный кадмиевый экран образуют формирователи узких коллимированных направленных пучков тепловых нейтронов, одинаковых по направлению, размерам поперечных сечений и пробегам в счетчике и в поглотителях. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в нем в качестве съемных поглотителей использованы таблетки из бора, размещаемые в кадмиевом коллиматоре-держателе посередине между окнами каждой пары окон и имеющие одинаковую поглощающую способность тепловых нейтронов со счетчиком в его диаметральной плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2