Устройство для нейтронно-абсорбционного анализа

 

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.

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

mg 4 6 01 N 23/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

70 1 = агс tg —, 1 Ф

0 8 h .: у = 2 are т

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1) 3239853/18-25 (22) 22 01 . 81 (46) 30. 05. 86. Бюл. У 20 (72) В.И. Зинковский, Е.П. Клочков и В.П.Смирнов (53) 539. 1.06(088.8) (56) Глушак В.Н. и др. Автоматизированная установка пастортизации твэлов перед облучением. Сборник докладов Всесоюзной школы по внутриреакторным методам исследований.

НИИАР, Димитровград, 1978, с.549.

Бабич С.И. и др. Экспериментальные исследования возможностей нейтронно-спектрометрического метода анализа образцов. Препринт НИИАР, П-15, Димитровоград, 1978.

Патент Англии В 1156585, кл. G 1 А, опублик. 1965, (54)(57) 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, о т л и ч а ющ е е с я тем,. что, с целью повыше-...SU„„ 65158 A 3 ния 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

"де В, — длина первого коллиматора,ж; 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 углом раствора при вершине, определяемым соотношением где h — радиус цилиндрического счет" чика нейтронов, 3 — длина второго коллиматора,мм толщина вещества, окружающего счетчик, составляет 25 — 35 мм, канал для ввода и размещения источника нейтронов выполнен в плоскости большего основания первого коллиматора вне полости коллиматора.

1 96

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, представляющие 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 представляющий 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

36

Ю

g$ плотность потока нейтронов на выходе таких коллиматоров пропорциональна площади его сечения.

Целью изобретения является повышение производительности анализа путем увеличения скорости счета пучка нейтронов н 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 P= are tg

1 е

1 где 2, — длина первого коллиматора,мм, 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 углом раствора при вершине, определяе мым соотношением

08h у = 2 агс tg

2 2 где h — радиус цилиндрического счет чика нейтронов, мм, 3 — длина второго коллиматора,мм толщина вещества, окружающего счетчик, составляет 25 — 35 мм, и канал для ввода и размещения источника нейтронов выполнен в плоскости большего основания первого коллиматора вне полости коллиматора.

5158 2 использован плутоний-бериллиевый источник нейтронов. Источник нейтронов, коллиматоры, деталь и счетчик нейтроНоВ во время измерения размещают на одной оси.

Прототип имеет низкую производительность, являющуюся следствием высокого уровня фона, обусловленного быстрыми нейтронами, попадающими на

}g,ñ÷åò÷Hê нейтронов от источника нейтронов, размещенного на прямой источ-. ник — деталь — счетчик, а также применения щелевого или цилиндрического коллиматора нейтронов, поскольку

3 9651

Часть конуса первого коллиматора у вершины отсекается поверхностью так, что площадь сечения соответствует 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 ip из поглощающего тепловые и эпитепловые нейтроны вещества, например, .карбида бора, с полостью в виде усеченного конуса длиной 25 — 40 мм и углом раствора Р 15

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 10 н/с

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)з от длины первого коллиматора, на фиг. 4 — график зависимости скорости счета детектора нейтронов (отн.ед.) от угла р, на фиг. 5 — график зави1 симости скорости счета детектора 40 нейтронов от длины второго коллиматора; на фиг. 6 — график зависимости скорости счета детектора нейтронов от угла У .

Устройство содержит .корпус в виде основания 1 и присоединенную к нему перегородку 2, к которой с одной стороны крепится первый коллиматор 3 с полостью 4 в виде части усеченного конуса. Коллиматор 3 размещен в бло- о ке водородсодержащего вещества 5. В водородсодержащем веществе 5 сделан канал 6 для ввода и размещения источника 7 нейтронов, например калифорниевого. С другой стороны перегородки прикреплен цилиндрический борный блок 8. В блоке 8 размещен канал 9 для ввода и протягивания анализируе-.

58 4 мого иэделия, второй коллиматор 1О 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 следующих 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-. финового коллимационного конуса до канала для размещения 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 колпиматора 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 Е от 0 до 200 мм отношение сигнала к фону резко возрастает. С дальнейшим увеличением длины первого коллиматора рост отношения N. /0 замедляется, а скорость счета нейтронов пучка продолжает падать.

965158

70 = асс tg—

45 где и — длина коллиматора.

Длйна второго коллиматора определяется условием минимума величины фона относительно скорости счета нейтронов пучка. С этой целью измеряют отношение скорости счета фона

Ь к скорости счета нейтронов пучка

Н в зависимости от длины второго коллиматора. Данная зависимость изображена на фиг. 5 кривой 20,. От» носительный вклад фона резко падает при увеличении длины второго колли50

Таким образом, для получения 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 вьппе 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 завйсимости скорости счета нейтронов пучка N, (кривая 18 на фиг. 4) и зависимости отношения скорости счета нейтронов пучка N -к уровню фона N (кривая 19 на фиг.4) от угла раствора при вершине первого коллиматора.

Скорость счета максимальна, а относительный вклад фона минимален при угле раствора коллиматора О, равном

0,28 рад. Возрастание скорости счета при увеличении 8 от О до 0,28 рад объясняется увеличением светящейся поверхности коллиматора, с которой нейтроны попадают на детектор. Спад скорости счета полезного пучка нейтронов при увеличении угла раствора

30 вьппе 0,28 рад объясняется уменьшением 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 О 0,28 рад составляет 70 мм. Отсюда в пределах используемых40 длин коллиматора 200 — 300 мм относительный угол раствора при вершине описывается выражением матора до значений 25 — 40 мм, затем уменьшение фона замедляется, в то время как скорость счета нейтронов пучка все время убывает по закону, 1 близкому k (— — — — ), где 1 — эфm + е ( фективная длина счетчика нейтронов при его аппроксимации тонким счетчиком.

Для определения оптимального угла раствора при вершине второго коллиматора рассчитывают зависимость скорости счета детектора СНМ-18 Н от о величины угла при вершине второго коллиматора.

Датчик 11 размещают так, что ось

его совпадает с осью 14 коллиматора.

Расходящийся пучок нейтронов имитируют точечным иэотропным источником находящимся на пересечении коллимационной оси 14 с осью системы анализируемого изделия. Поток нейтронов считывают монохроматическим с энергией 0,025 эВ.

Рассчитанная зависимость скорости счета N, нейтронов пучка от угла раствора при вершине второго коллиматора ч приведена на фиг. 6 (кривая

21) для длины второго коллиматора 35 мм.

Для длины коллнматора 25 — 40 мм угол его раствора Ч = 2 9 состав2 ляет 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

О 8 11

Ч = 2 are tg - =2 е

Для определения толщины вещества второго коллиматора исследуют зависимость скорости счета нейтронов калифорниевого 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 0 до 25 - 35 мм скорость

Устройство позволяет повысить производительность нейтронно-абсорбционного анализа в 8 — 10 раз по сравнению с устройством-прототипом. . Так, для калифорниевого источника с

10 потоком 10 н/с на анализ одной точки изделия с погрешностью 1Х требуется время 100 с при работе с пред лагаемым устройством, в то время как на установке-прототипе требуется время более 1000 с.

965158

8 счета резко падает, затем переходит . количество вещества, находящегося на в медленно меняющуюся функцию. По- участке иэделия, облучаемом пучком скольку регистрируемые нейтроны в нейтронов. 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 11 с изделием. По величине отношения скоростей счета определяют

965158

40 Ф,РФГ

ФигУ.,фад

Редактор О. Юркова Техред ОГортвай Корректор М. Демчик

Заказ 2996/3 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная, 4 и и

4игб