Способ измерения нейтронных сечений

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ .

Союз Советских

Социалистических

Республик (>862095

1

rr (6t ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.04.80 (21) 2910374/18-25 с присоединением заявки 1те— (23) Приоритет—

Опубликовано 07.09.81. Бюллетень Ле 33

Дата опубликования описания 10 09.81 (53)М. КлG 01 Т 1/34

601 Т 3/00

Гоеударстееииый комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий (53) УДК 621. .387.426 (088.8) Ю. В. Адамчук, М. А. Восканян, Г. В. Мурадян и Ю. Г, Шепкин (72) Авторы изобретения (7I ) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ

СЕ ЧЕНИЙ

Изобретение касается измерения ядерных излучений и может быть использовано дпя получения нейтронных сечений, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на бы5 стрых нейтронах, для более точных расчетов зашит от нейтронного излучения и r,ï.

Известны способы измерения нейтрон1О ных сечений путем регистрации у- -квантов и нейтронов, в которых используется один из следующих способов идентифика ции различных видов сечений: измеряют величину энерговыделения

15 в сцинтилляционном 431 -детекторе, выэванвого е -квантами (lj; используют сцинтилляционный детектор, действующий на основе принципа МайерЛейбница Ы: используют сцингилляционный модифицированный детектор Моксона-Раэ 33); измеряют совпадения а. -излучения с излучением нейтронов (4); используют метод пропускания нейтронов Е53.

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 входят погрешности, связанные с переходом

or величины пропускания к величине сечения. Ни один иэ известных, способов не позволяет получать одновременно нейтронные сечения рассеяния, захвата, деления и полное сечение, вследствие чего невозможно достаточно точно учесть поправки, связанные с нечеткой индентификацией актов рассеяния, захвата и деления. Для измерения этими способами даже неполной совокупности нейтронных сечений необходимо испольэовать раэли чные установки, что снижаег точность по- . лучаемых данных.

Известен способ измерения нейтронных сечений, который позволяет одновременно йзмеригь эти сечения и получать данные

86,2008 о наиболее высокой точности и который выбран в качестве прототипа. В этом способе с помощью системы независимо работающих детекторов измеряют суммарное количество ф -квантов и нейтронов, образующихся в каждом акте взаи-. модействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами (множественность вторичного излученкя), суммарное энерговыделение в системе детекторов и. распределение числа зарегистрированных актов в зависимости суммарного количества у. -квантов и нейтронов, т.е. or множественности вторичного излучения и величины суммарного энерговыделения в системе детекторов 563. Число зарегистрированных актов является суммой чисел актов рассеяния, захвата и деления. Поэтому распределение числа зарегистрированных актов в зависимости or множественности вторичного излучения и суммарного энерговыделения в системе детекторов, т.е. спектр множественности вторичного излучения, представляет собой сумму распределений, соответствующих реакциям рассеяния, захвата к деления (сумму спектров множественности рассеяния, захвата и деления), Из суммарного спектра множественности вторичного излучения выделяют спектры множественности рассеяния, захвата и деления, на оснований которых определяют числа актов соответствующих реакций. Из этих чисел кзвестными методами определяют сечения рассеяния, захвата, деления и полное сечение. Выделение спектров множественности рассеяния, захвата и деления из суммарного спектра множественности производят на основании того обстоятельства, что при разных реакциях множественность вторичного излучения и суммарное энерговыделение в системе детекторов различны, и поэтому спектры множественности рассеяния, захвата и деления сосредоточены в разных участках суммарного спектра множественности и тем самым разделены друг ог друFB

Однако точности измерения нейтронных сечений делящихся ядер и их отношений таким способом недостаточно высоки. Это является следствием того, что кз суммарного спектра множественности вторичного излучения делящихся ядер не удается с высокой степенью точности выделить спектры множественности захвата и деления. Последнее приводит к тому, что числа актов захвата и деления, и следовательно, сечения соответствующих реакций, полное нейтронное сечение и отношения arne сечений

Ф определяются с недостаточно высокой точностью.

При измерении одного только суммарного спектра множественности вторичного излучения делящихся ядер числа актов зах вата 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 чис-лом независимо работающих детекторов (М ) ao 46 и с эффективностью регистрации одного у -кванта всей системой детекторов (Е „) до 0,9 спектры множественности захвата и деления заметно перекрываются в суммарном спектре множественностК. Наличие области перекрытия не позволяет выделить с высокой точностью спектры множественности захвата и деления, поскольку неизвестными остаются участки этих спектров в области их перекрытия. Область перекрытия можно было бы уменьшить дальнейшим увеличением

Я и E . Одна o такое увеличение приводит к существенному увеличению объема сцинтилпятора системы детекторов, вследствие чего резко увеличивается число событий естественного фона, 30 регистрируемое системой детекторов. Последнее приводит к значктельному ухудшению точности получаемых результатов.

Зля 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

40 достоверности этих предложений. Более того, известно, что предложения включают в себя большие неопределенности. С другой стороны, в расчетах используются определенные приближения. Все это пркво45 дит к тому, что участки спектров множественности захвата и деления в области их перекрытия определяются со значительной погрешностью (до 30%). Вследствие этого падает точность определения спекг50 ров множественности захвата и деления, к, следовательно, нейтронных сечений к кх отношений, Цель изобретения - повышение гочнос ги измерения нейтронных сечений делящих

55 ся ядер и их отношений.

Для этого в известном способе иэмере ния нейтронных сечений путем измерения

I с помощью системы независимо рабогаю862098 щих детекторов суммарного количества -квантов и нейтронов, образующихся в каждом акте взаимодействия падающих нейтронов и исследуемыми ядрами, измерение суммарного энерговыделения в сиcreMe детекторов и распределение числа зарегистрированных актов в зависимости

or суммарного количества г -квантов и нейтронов и величины суммарного энерговыделения в системе детекторов, одновременно идентифицируют акты деления путем разветвления импульса, характеризующего суммарное энерговыделение в сиcreMe детекторов, по двум каналам, задержки импульса в одном иэ каналов от» носительно импульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в обоRx каналах, измеряют суммарное количество у - квантов и нейтронов, образующихся в каждом идентифицированном акте деf ления, и распределение числа идентифицированных актов деления в зависимости от суммарного количества у. -квантов и нейтронов, после чего по измеренным распределениям определяют нейтронные сечения.

Измерение распределения числа идентифицированных актов деления в зависимости

or суммарного количества " -квантов и нейтронов (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,расчегы, вносящие значительные погрешности.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предложенного способа; на фиг. 2 — суммарный спектр множественности Р (к) (точки) и спектр множественности идентифицированного деления F (к) (крестики) для урана-235, изм ренные с помощью системы из И =46 сцинтилляционных детекторов с .=0,9„„ на фиг. 3 — измеренный на той же установке спектр множественности захвата для золота-197; на фиг. 4 — спектр множественности захвата F (к) (точки) и спектр множественности деления F (к) (крестики), полученные .на основании данных, приведенных на фиг. 2.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит образец из исследуемых ядер 1, независимо работающие " -детекторы 2, (и, г)- конвертор 3, фотоумножители 4, анализирующую и контролирующую аппаратуру 5.

Способ осуществляют следующим образом, 6

Образец из исследуемых ядер 1 помешают на коллимированный пучок падаю« щих нейтронов 6 и окружают системой независимо работающих детекторов 2, образующей 4J -геометрию. Между образцом

1 и системой детекторов 2 помещают (tl, )-конвертор 3, содержащий, например, бор-10 и ядра, замедляющие нейтроны. Конвертор 3 служит для преббраэоваl0 ния нейтронов 7, образующихся при взаи» модействии падающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами образца 1, в у" -кванты.

Нейтроны 7 захватываются ядрами бора10 и дают у -кванты 8. Один нейтрон в

15 этой реакции конвертируется в один у— квант с энергией 480 кэБ.

При каждом акте взаимодействия падающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами образца 1 с помощью, -детекторов

2 измеряют суммарное количество всех г -квантов, т.е. г -квантов 9, образуюшихся при взаимодействии . падающих нейтронов 6 с исследуемыми янезами образца 1, и " -кван" îâ 8, а также суммарр5 ное энерговыделение Е, в сыстеме 7 детекторов 2, вызванное всеми у -кван тами. Суммарное число всех " -квантов (множественность втори шаго излучения) получают по кратности {к) совпадения импульсов от 1 -детекторов 2. Затем измеряют распределение числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества =квантов и величины суммарного энерговыделения, т.е. суммарный спектр

Mножественности вторичного излучения.

Спектр множественности рассеяния полностью содержится в части 5 (к) сум марного спектра множесгвенносгР, соответствующей суммарному энерговьщелению

Е = 480 кэВ, в системе у" -детекторов

2, поскольку при рассеянии образуется один нейтрон 7, который преобразуется конвертором 3 в один я" -квант 8 с энергией 480 кэВ. Причем для актов рассеяния к=1. Таким образом, число событий

Рс; = S (к=1), зарегистрированных в спектре S (rc), есть число актов рассеяния.

Участок P" (к) суммарного спектра множественности, соответствующий значе50 ниям суммарного энерговыделения Е> У

)480 кэВ (см. фиг.2), является суммой спектров множественности захвата Р(к) и деления F(K), поскольку как при захвате, гак и при делании выделяется энергия в нескддько МэВ. Из спектра Р+ (к) выделяют спектры множественности зах« вага Р(к) .и деления Г(к). Осуществляют это следующим образом.

862095

Идентифицировать все акты деления, зарегистрированные системой г-детекторов 2, невозможно. Поэтому спектр множественности идентифицированного деления

Р+(к) не будет тождественно равен спектру множественности деления F (к), который необходимо выделить из спектра Р+(к).

Однако поскольку оба спектры Р(к) и

Р"(к) являются характеристиками одного и т6го же пооцесса (деления), " очи име50

Одновременно с измерением суммарного спектра множественности идентифицируют акты деления путем разветвле-. ния импульса, характеризующего суммарное энерговыделение в системе " -детекторов 2, по двумя каналам, задержки им. пульса s данном иэ каналов относительно импульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в ббоих каналах.

Смысл этих операций заключается в сле- щ дующем. При делении наряду с у -квантами 9 образуются нейтроны 7. В тех случаях, когда нейтроны деления 7 не преобразуются конвертором 3 в г -кванты, они попадают в у -детекторы 2 и регистрируются по своему захвату в веществе детектора. При этом импульс, характеризующий суммарное энерговыделение. в системе детекторов 2 от регистрации .нейтронов деления 7, будет задержан на некоторое время Т относительно импульса, характеризующего суммарное энер- говыделение ог регистрации у -квантов

8 и 9, поскольку нейтрон деления 7 до своего захвата блуждает некоторое время в системе детекторов 2. Поэтому, если импульс, характеризующий суммарное энерговыделение в системе у -детекторов 2, разветвить по двумя каналам, задержать импульс B одисм из каналом на.время К, относительно импульса в другом канале и затем пустить их на совпадение, то регистрация импульсов совпадения этих двух каналов будет свидетельствовать о roM, что произошел акт деления. При захвате„ в отличие от деления„нейтроны 7 не об35 разуются, и совпадение импульсов двух каналов не имеет места.

Наряду с идентификацией актов деления с помощью у -детекторов измеряют множественность вторичного излучения, обра40 зующегося и каждом идентифицированном акте деления, а также распределение числа идентифицированных актов деления в зависимости от множественности вторичного излучения — спектр множественности 4 идентифицированного деления F (к) (см.: фиг. 2) ° ют одинаковую форму, г,е, отличаются на некоторый постоянный множитель

Г(к) = (. F%(к) (1)

Постоянный множитель aL onpeu ляют следующим образом.

Как показывают измерения спектра множественности захвата для ядер в щирокой области энергий связи нейтрона Вп и с различной плотностью уровней р от которых зависит спектр множественности вторичного излучения, события захвата при кратностях совпадения к >8 не регистрируются (cM. фиг. 3). Таким образом, в спектре множественности P (к) в области к >8 регистрируются только события деления, г.е. в области к > 8 спектры P (ê) и ); (к) совпадают. Поэто-. му для области к > 8 в формуле (1) вместо Р(к) можно подставить Р» (к):

Р (К>8)= Р EK>e)*

Отсюда получаем

0"=> Р (K)/E F (X).

К)8 К>8

При помощи формул (1) и (2), используя

@ меряные спектры множественности

P (х) и F (к), определяют спектры множественности деления Р(к) и захвата Г(к) (см. фиг. 4):

M Р+(к)

F (<) К> гЕИ ар

W F+(K)

К>8 р (к)

НРИ К pg

f(K)= p (g)-p (g)

Из выделенных спектров множественности рассеяния S (к), захв та Г(к) и деления

Р(к) определяют числа . ктов соответствующих процессов Р ь 8(к=1), Р у. =

=Е Р(к) тР Г(к).Из этих чисел извест-; ными методами определяют сечения расоеяйия, захвата и деления. Полное нейтронное сечение определяют по сумме

Р + Р » + Ру, Изобретение позволяет повысить точ ность измерения нейтронных сечений делящихся ядер и их огискпений, получить. точности, требуемые для оптимизации ядерных энергетических реакгсров, осо„бенно реакторов размножителей на быстрых нейтронах, а также оптимизации внешнего топливного цикла. Например, с помощью предложенного способа абсапотное значение отношения сечений захвата и деления урана-235 в области энергий нейтронов 0,1-30 кэВ впервые было измерено с требуемой для этой цели точностью - лучшей 5%, тогда как с помо8 ( щью известного способа эта величина была измерена с точностью 25%.

Экономический эффект указанной оптимизации проявляется в исключении возможности ошибочного выбора неперспективной концепции реактора будушего, которая привела бы к убыткам порядка стоимости отрасли промышленности по производству и переработке тепловыделяюшихся элементов реактора.

Формула изобретения

Способ измерения нейтронных сечений путем измерения с помощью системы независимо работающих детекторов суммарного количества у -квантов и нейтронов, образуюшихся в каждом акте взаимодействия падающих нейтронов c:êññëåäóåмыми ядрами, измерения суммарного1 энерговыделения в системе детекторов и распределения Йсла зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества g -квантов и нейтронов и величины суммарного энерговыделения в системе детекторов, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения нейтронных сечений деля:шихся ядер и их отношений, одновре» менно идентифицируют акты деления путем

62095 10 разветвления импульса, характеризующе.го суммарное энерговыделение в систеМе детекторов, по двум каналам, задержки импульса в одном из каналов относительно

Ймпульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в обоих каналах, измеряют суммарное количество г -квантов и нейтронов, образующихся в каждом идентифицированном акте деления, и рао10 пределение числа идентифицированных актов деления в зависимости ог суммарного количества " -квантов и нейтронов, после чего по измеренным распределениям определяют нейтронные сечения, 15

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.ЬИп R.,ФееЫп Ф.,6е важевге G.А.а. йосВ СЕ1, Епсра 1970, /. 40,р.306.

2.621тт ЭЯ. Мпавс 3, йоЫ Be . н п, 1970 Ч,4l,р. 50..

ЗдЪоп1Ьет 8.G., îàå1 Ì N-G.6.d.

СЯ 26/ЗЗ на Межд. конференции йоклад

1970. (по ядерным данным, Хельсинки, 4. Рябов Ю.В„Сон Йон Сик,Чиков Н.

:1970. .%

5Яо(т 3.5,Яс(111 ча+ег З.,ап8 нс(ч61 э%., Pg1q 9 1965,Ч.137 В, р. 547.

6, Авторское свидетельство СССР № 548100 кл. Я 01 Т 1/34, 1975

30 ..t. 1поототип).

Составитель В. Макаров

Редактор Т, Клюкина Техред Ж,Кастелевич Корректор Л. Иван

Заказ 6607/41 Тираж 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/6

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