Способ измерения нейтронных сечений
Союз Советских
С оциалистичесних
Республин
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ
С 01 Т 1/34
G 01 Т 3/00
Государственный комитет
С С С.P по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 621. 387. 426 (088. 8) Опубликовано 231081.Бюллетень М 39
Дата опубликования описания 23.10,81 (72) Авторы изобретения
Г.В.Мурадян, Ю.В.Адамчук, Ю.Г.Щепкин и Г.H.Óñòðîåâ (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ СЕЧЕНИЙ
Изобретение относится к способам измерения нейтронных сечений (радиационного захвата G, деление 6 у рассеяния(75 и полного сечения) и может быть использовано для получения недостающих данных, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, и для более точных расчетов защит от нейтронного излучения и т.д.
Известны способы измерения нейтронных сечений путем регистрации -квантов и нейтронов, в которых используется один из следующих способов выделения (идентификации) различных видов сечений: — измеряют величину энерговыделения в сцинтилляционном 4R-детекторе, вызванного 4"-квантами (1 ); используют сцинтилляционный детектор, действующий на основе принципа Майера-Лейбница (2); используют сцинтилляционный модифицированный детектор Моксона-Раса (3); измеряют совпадения Я-излучения с излучением нейтронов (4); используют метод пропускания нейтронов (5 ).
Однако во всех этих методах сечение захвата получается с большой примесью сечения деления и с заметной примесью сечения рассеяния, в полное сечение входят погрешности, связанные с переходом от величины пропускания к величине сечения. Ни один иэ известных методов не позволяет получать одновременно нейтронные сечения захвата, деления, рассеяния и полное сечение, вследствие чего невозможно достаточно точно учесть
15 поправки, связанные с нечеткой идентификацией актов захвата, деления и рассеяния. Известные методы требуют использования различных установок для измерения даже неполной комбина20 ции парциальных сечений, что приводит к снижению точности получения отношения различных сечений. Кроме того, неодновременное измерение сечений приводит к увеличению длительности цикла измерений.
В качестве прототипа предлагаемого способа выбран способ измерения нейтронных сечений путем регистрации -квантов и нейтронов, возникающих
30 после взаимодействия падающих нейт5481 00 ронов с исследуемыми ядрами, который позволяет получать наиболее высокую точность в измерениях сечения захвата делящихся ядер, что имеет наибольшее практическое значение. По этому методу образец помещают в жидкостной сцинтилляционный 4 -детектор и при, каждом акте взаимодействия падающего нейтрона с исследуемыми ядрами измеряют энергию, выделяемую всеми
$-квантами во всем объеме детектора.
Акты деления ядер и акты радиационного захвата нейронов (в дальнейшем просто "деление" и "захват") разделяют путем выделения числа случаев с энерговыделением 2,5 МэВ (захват) и числа случаев с энерговыделением более 11 МэВ (деление). Для защиты от рассеянных нейтронов между образцом и детектором вводят защиту, содержащую литий-б.
Однако этот способ имеет существенные недостатки.
В канале захвата (случаи с энерговыделением 1 2,5 МэВ) число случаев пропорционально величине Ng =
=Gy + В Gg + с Gg. Здесь В 1, т.е. число актов захвата получается с большой примесью актов деления. Исключение этой примеси, т.е. определение величины )3, вводит дополнительную ошибку в gg и требует привлечения дополнительных (так называемых калибровочных) данных по Gg которые могут быть получены в данном е эксперименте. Эта ошибка сильно зависит от величины Д и в данном случае является основной составляющей частью систематической ошибки.
Эффективность регистрации актов деления и захвата составляет 10%.
При столь малой эффективности появляются, во-первых, ошибки в сечениях, связанные с уходом эффективности в зависимости от спектра -лучей, т.е. в зависимости от энергии падающих нейтронов. Такой уход практически не поддается учету. Во-вторых, время измерений, в течение которого достигается заданная точность, на порядок больше минимально возможного времени. Кроме того, низкая эффективность регистрации уменьшает отношение эффекта к фону, что в свою очередь снижает точность получаемых сечений.
Способ не позволяет одновременно измерять сечение рассеяния (Г вследствие чего поправка на примесь актов" рассеяния в канале захвата (член с сб в выражении Н, ), возникающего из-за того, что часть рассеянных нейтронов, захватывается конструкционными материалами детектора и имитируют захват в исследуемом образце, определяется с относительно низкой точностью.
Отсутствует возможность одновременного получения величины полного
5()
S5
á5 сечения, что необходимо для улучшения точности определяемых сечений захвата и деления путем введения поправки на самоэкранирование в заданных условиях эксперимента.
Цель изобретения — обеспечить одновременное измерение различных парциальных нейтронных сечений (радиационный захват, деление рассеяние) и полного сечения, повысить точность измерений сечений захвата, полного сечения и отношения сечений.
Для этого с помощью системы независимо работающих детекторов измеряют суммарное количество р -квантов и нейтронов, возникающих при каждом отдельном акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, и измеряют величины амплитуд импульсов, характеризующих энерговыделение в каждом детекторе, и по распределению числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества -квантов и нейтронов и от суммарного энерговыделения в системе детекторов определяют нейтронные сечения. С целью упрощения процесса измерений регистрацию нейтронов ведут по -квантам, образующимся в борсодержащем (п, ) -конверторе.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа, разрез," на фиг. 2 — расчетная зависимость кратности (К) для системы независимых детекторов с чис. лом секций N = 6,10,20 и эффективностями Я - = 0,3 и 0,7, расчет проведен в ;.редложении отсутствия рассеяния 7(-квантов из одного детектора в другой, черные точки соответствуют девяти =квантам (деление), белые четырем г-квантам (захват); на фиг. 3 — интегральное распределение времени жизни нейтронов с энергией
1 МэВ до поглощения их в конверторе при различных концентрациях в нем бора-10 и парафина с суммарной плотностью смеси, равной 1,5 г/см3, йа фиг. 4 — экспериментально полученная зависимость чисел отсчетов от кратности совпадений (К) импульсов в системе детекторов для спонтанного деления С
Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит образец 1 из исследуемых ядер, (и, ")— конвертор 2, детекторы 3, регистрирующую аппаратуру 4 и 5 (кодировщик, цифровой анализатор и др.).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Для простоты рассмотрим конкретный случай, когда нейтроны регистрируются по рквантам, образовавшимся в (n, y ) конверторе. Образец 1 с исслед,емыми ядрами (см.фиг.1) помещают в коллимированный пучок падающих нейтронов и окружают, истемой
N независимо работающп. ) -детекто548100 ров 3. Между образцом 1 и системой детекторов 3 помещают (и, )-конвертор 2, содержащий, например, бор10 и ядра, замедляющие нейтроны.
Нейтроны, образующиеся после взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, в результате захвата их в боре-10 дают у-кванты с энергией 480 КэВ. Один нейтрон в этой реакции дает один у-квант.
При каждом акте взаимодействия падающего нейтрона с исследуемыми ядрами измеряют суммарное число всех "-квантов 9, т.е. $ -квантов, образующихся как в процессе взаимодействия, так и в процессе конвертирования нейтрона в "-квант (это число получают по кратности (К) совпадений импульсов от системы детекторов), и амплитуды импульсов от каждого детектора, соответствующих энерговыделениям в детекторах, выз- 20 ванных 4 -квантами.
После набора Р актов взаимодействия, где Р определяется запланированной статистической точностью измерения сечений, выделяют числа Р -, д5
Рг и Р5, соответствующие числам актов захвата, деления и рассеяния соответственно. Из этих чисел известными методами определяют соответствующие сечения. Полное сечение зо определяют по сумме Р, + Р + P> .
Числа Р, Р и Р выделяют следующим образом.
При захвате вылетают приблизительно 2-5 4"-квантов с суммарной энергией, равной энергии связи нейтрона в ядре, т.е. N 5-10 МэВ, при делении вылетают примерно 7 — 8 Э-квантов и
" 2-3 нейтрона, при рассеянии — один нейтрон. Таким образом, различные типы взаимодействия характеризуются 40 следующими суммарными количествами
Я -квантов (с учетом конвертирования нейтронов) и суммарным энерговыделением "-квантов Е : захват 4 = М «2-5, Е = Е
" 5-10 МэВ ™ деление 0 =1 9-11, Е
9 МэВ рассеяние 4 =М 1, Е = Е
0,48 МэВ. 50
Исходя из этого, по зависимости распределения числа случаев от у и
Е g, находят Р, P . и P . Последнее получают =-,.о числу случаев, соответствующих g = 1 и Е = 0,48 МэВ, деление по числу случаев, соответствую- 55 щих 1) > 8, захват по числу случаев, соответствующих М > 1 с Е > 0,48 МэВ.
Следует отметить, что точность определения 4 и E зависит от конкретных параметров детектора и кон- ц вертора, а именно, от числа детекторов N, от суммарной эффективности регистрации одного -кванта всей системой детекторов, от эффективности конвертирования нейтрона 6 (п, +) в -квант и от точности измерения суммарной энергии у-квантов Е<. Однако, как видно из приведенных значений 4 и Е ;, как числа МЭ., у
49, так и Е по отношению к Е 7 и Е существенно разнятся между собой, поэтому требуемая точность их измерения позволяет создавать реальные и вполне реализуемые установки, поз воляющие по распределению Р (М, Е ), полученному на этих установках, выделять область (по 9 и Е ), соот ветствующие случаям чистого захвата, |чистого деления и чистого рассеяния.
В этом случае выделяемые числа Р ., Р и Р пропорциональны соответствующим числам актов захвата, деления и рассеяния.
На фиг. 2 для пояснения показано, как откликается система детекторов (т.е. как зависит число случаев от кратности совпадения К) при
4 (захват) и при М = 9 (деление) в зависимости от М и Я -. Видно, что начиная с некоторых значений N u
j происходит эффективное разделение актов захвата и деления. Из фиг.3, где приведена зависимость эффективности конвертирования нейтронов с энергией 1 МэВ от содержания в конверторе бора-10 и парафина (замедлителя) и от времени конвертирования (t), видно, что при t = 0,1 мкс эффективность конвертирования E (п,Д" ) при содержании B1О О, 5 г/см и парафина 1, 0 г/см 3 (реализованный слу— чай) составляет 80Ъ.
Авторами создана установка из
N = 12 детекторов на основе кристаллов Nag (Те) (фиг.1) с 8 - - 70% для -квантов захвата, P - - 803 для актов деления и с конвертором с эффективностью Е(и,у)80% для нейтронов деления и Я --94 Ъ для нейтронов с энергией меньше 1 КэВ (содержанне в конверторе В о О, 5 г/см З, парафина
1,0 г/см, толщина 4,5 см). Детектор с такими параметрами позволяет четко выделить акты захвата, деления и рассеяния.
Для иллюстрации работы установки на фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость числа отсчетов
|кратностей совпадений (К) для спонтанного деления Cf при котором захват и рассеяние отсутствуют. Деление регистрируется при K ) 4, т.е.
la области 1 К 3 может регистрироваться только захват и рассеяние.
Аналогичная картина, снятая экспериментально для захвата нейтронов в
Cd, показывает, что захват регистИЪ рируется только в области К +7, т.е. в области К> 8 имеем случай чистого деления. Очевидно, что с рассеянием может конкурировать только захват, однако случаи захвата сильно отли:аются по Е, а примесь случаев за,хвата с К = 1 и Е, соответствующая
548100 энергии 1.-кванта 480 кэВ, пренебрежимо мала (случаи захвата с 0 = 1,2 составляют малую долю). В связи с этим случаи рассеяния хорошо выделяются.по признакам К = 1 и амплитуде импульса от Na3(Te), соответствующей
Е g - 480 кэВ.
В общем случае для реальной установки числа Р, Р и Рс можно выделить, либо используя функции отклика системы детекторов для различных и Е g (которые находятся путем калибровки аппаратуры или расчетным путем), либо по различию в зависимостях Pg (Е1), Р (Е„ ) и Р>(Е„-) от энергии падающих нейтронов. В этом случае методом наименьших квадратов решают систему избыточных уравнений, связывающих измеряемое распределение Р(М, Е, Е ) с числами
Р (Е,;), Р (Е„) и Р (Е„) и определяют эти числа.
Формула изобретения
1. Способ измерения нейтронных сечений путем регистрации ф -квантов и нейтроиои, возникающих .после взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью одновременного измерения различных парциальных нейтронных сечений (например, радиационного захвата, деления, рассеяния) и полного сечения, повышения точиости определения сечения захвата, полного сечения и отношения сечений, измеряют с помощью системы независимо работающих детекторов суммарное количество ф -квантов и нейтронов, возникающих при каждом отдельном акте вэаимодействия па5 дающих нейтронов с исследуемыми ядрами, величины амплитуд импульсов, характеризующих энерговыделение в каждом детекторе, и по распределению числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества
$-квантов и нейтронов и от суммарного энерговыделения в системе детекторов определяют нейтронные сечения.
2. Способ по п.1, о т л и ч а ю 15 шийся тем, что, с целью упрощенйя процесса измерения, регистрацию нейтронов ведут по у-квантам, образующимся в борсодержанием (n,)- )— конверторе.
20 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Gwiп R,, Westan Е.W., de
Saussure G, е.а — NaCl Sci. Eng
1970, ч. 40, р. 306.
2. Czirr I.Â., Lindscy I. — NaCl
Sci. Eng, 1970, ч. 41, р. 56.
3. Schomberg И. Е,, Sower I y М. G. е.а.- Доклад CN-26/33 на Международной конференции по ядерным данным.
Хельсинки, 1970.
4. Рябов Ю.B., Сон Дон Сик, Чиков Н. и др. — Препринт ОИЯИ РЗ-S113, Дубна, 1970.
5. Garg I B., Раinwater I and
Havens W W. - Phys, Rev., 1965, ч.
137 В, р. 547.
Кртпнооюь со8о бдении
4риг.3
ВНИИПИ Заказ 9219/36
Тираж 735 Подписное
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная,4
