Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ: "Измерение раздельных откликов временных совпадений нейтронов и гамма-квантов калифорниевого источника в контейнерах со свинцовой и водной защитами"

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Описание установки скорости счета совпадений частиц деления
• 1.1 Особенности работы с установкой счета совпадений
• Схема измерительной установки
• Источник внешнего облучения установки
• Детекторы, используемые для измерений
• 1.2 Описание методики цифрового разделения нейтронов и фотонов деления
• Описание программы первичного сбора и обработки данных
• Описание программы счета временных совпадений
• 1.3 Краткое описание математического аппарата счета нейтронных совпадений
• 1.4 Выводы
• Глава 2. Описание эксперимента
• 2.1 Описание эксперимента с водной защитой
• 2.2 Описание эксперимента с изменением толщины свинцовой защиты
• 2.3 Выводы
• Глава 3. Результаты эксперимента и их обработка
• 3.1 Сравнение временных распределений скорости счета совпадений различного типа для свинцовой и водной защиты
• 3.2 Сравнение скоростей счета совпадений в зависимости от толщины водной или свинцовой защиты
• 3.3 Выводы
• Заключение
• Литература
• Приложение

Аннотация

В работе рассмотрена возможность создания промышленной установки счета совпадений нейтронов и фотонов различных кратностей, способной в режиме on-line (измерение не более 1000 секунд) определить эффективную массу ²⁴⁰Pu в ЯМ, находящегося в контейнере с водной или свинцовой защитами различной толщины.

В результате выполнения работы были решены следующие задачи:

· ознакомление с аппаратурой и методикой цифрового разделения нейтронов и гамма-квантов;

· измерение счета совпадений нейтронов и гамма-квантов ²⁵²Cf, находящегося в водной и свинцовой защитах различных толщин;

· сравнение дифференциальных временных распределений скоростей счета совпадений и анализ зависимостей скоростей счета от толщины водной или свинцовой защит;

· определение толщины свинца, при которой измерения сводятся к счету нейтронных совпадений различных кратностей;

· проведение оценки временных затрат на проведение эксперимента.

Обозначения и сокращения

АЦП	-	аналого-цифровой преобразователь
ДМ	-	делящийся материал
НИЯУ "МИФИ"	-	Национальный исследовательский ядерный университет "Московский инженерно-физический институт"
НРА	-	неразрушающий анализ
ПО	-	программное обеспечение
ПР	-	параметр разделения
РА	-	разрушающий анализ
РФА	-	рентген - флуоресцентный анализ
ФЭУ	-	фотоэлектронный умножитель
ЯМ	-	ядерный материал

Введение

Задача определения содержания делящихся материалов (ДМ) в изделиях ядерной энергетики практически стоит на большинстве стадий их изготовления и обращения с ними. Это напрямую связано с безопасностью эксплуатации ядерно-энергетических установок, системой учета ядерных материалов и проблемой их нераспространения. Решать ее приходится различными методами практически на каждом этапе жизненного цикла ядерного топлива. Но контроль изотопного состава может быть существенно осложнен, т. к многие изделия имеют защитные покрытия и, как следствие, любому анализу ЯМ будет предшествовать процесс разрушения его оболочки [1].

Такие методы контроля называются разрушающими, и они обязательно включают в себя этапы отбора пробы, химической подготовки образца и измерений. Результаты разрушающих анализов отличаются большой точностью, однако они весьма трудоемки и не могут быть реализованы для ДМ, находящихся в закрытых контейнерах. Существует еще один метод: неразрушающий, при обращении к которому не происходит изменения характеристик образца или проникновения в него. Он существенно менее трудоемок, но и менее точен. Обычно его используют для контроля протекания технологических процессов, для проведения быстрых исследований образца, а также в тех случаях, когда РА неприменим.

В настоящее время наиболее распространенной является классификация неразрушающих методов контроля ядерных материалов, основанная на способе получения ядерного излучения, используемого для анализа состава инспектируемого образца. Это может быть его собственное излучение, а также излучение ядерного материала, индуцированное внешним источником ионизирующего излучения. Первый метод анализа ядерных материалов называется пассивным, а второй - активным. Между этими двумя методами контроля существует принципиальная разница, которая и определяет область их применения. При этом разнообразие видов индуцированного излучения, типов источников внешнего облучения и детекторного обеспечения определяет широкие возможности активных методов, а, следовательно, и выбор способов их применения в конкретных условиях. Ввиду того, что при пассивном методе анализа не требуется применения каких-либо внешних источников облучения, к защите установок не предъявляется особых требований, и поэтому она может быть достаточно простой или вообще отсутствовать. При этом используемая аппаратура ограничивается в основном стандартными типами гамма - спектрометров, схемами совпадений частиц деления ДМ, нейтронных счетчиков и калориметров и не требует для своего обслуживания большого количества квалифицированного обслуживающего персонала. Это является преимуществом такого метода контроля, и большинство существующих в практике устройств основано именно на этих принципах пассивного контроля. Однако собственное гамма-излучение ранее необлученных ядерных материалов имеет слабую проникающую способность, а иногда и сравнительно низкую для практических измерений интенсивность. Поэтому принципиальным недостатком пассивных методов контроля следует считать поглощение гамма-излучения в образце, что создает эффект его экранировки наружными слоями ДМ и не позволяет анализировать сложные гетерогенные структуры тепловыделяющих элементов или "толстые" образцы, особенно если они обладают неоднородной структурой. Кроме этого, не все нуклиды ДМ обладают достаточно большим выходом нейтронов спонтанного распада, и поэтому не всегда могут быть проанализированы с хорошей статистической погрешностью с помощью счета временного совпадения частиц деления ДМ без их облучения внешним источником излучения [2].

В настоящей работе рассмотрен подход к контролю ДМ с точки зрения измерений временных совпадений нейтронов и фотонов деления. Используемый ядерно-физический подход к анализу образцов позволяет определять эффективную массу ²⁴⁰Pu и его концентрацию в ядерных материалах на основе плутония. Он имеет прямое отношение к решению проблемы нераспространения ядерного оружия и ядерных материалов. Эта проблема актуальна во всем мире, в частности в России, обладающей крупномасштабной атомной промышленностью. В настоящее время количество ДМ в балк - форме возрастает в связи с конверсией оружейных ядерных материалов, а также при снятии с эксплуатации ядерных установок, содержащих плутоний.

До настоящего времени были разработаны и введены в эксплуатацию установки счета совпадений частиц деления, основанные на счетчиках [3].

Основные принципы работы этих установок состоят в следующем:

· образец ДМ помещают в полость, окруженную счетчиками, помещенными в водородосодержащий замедлитель нейтронов;

· регистрируют временные совпадения импульсов, создаваемые частицами, испускаемыми при спонтанном делении;

· определяют эффективную массу ²⁴⁰Pu - это такая масса ²⁴⁰Pu, который дал бы тот же отклик двойных совпадений, что и полученный от всех четных изотопов в фактической пробе:

²⁴⁰Pu_eff = 2.52²³⁸Pu + ²⁴⁰Pu + 1.68²⁴²Pu (1)

Затем используют гамма-спектроскопию высокого разрешения, масс-спектроскопию или иную информацию установки, чтобы получить изотопный состав плутония, что позволяет подсчитать полную массу плутония в образце из эффективной массы ²⁴⁰Pu:

^TotalPu = ²⁴⁰Pu_eff / (2.52 f₂₃₈ + f₂₄₀ + 1.68 f₂₄₂) (2)

совпадение нейтрон фотон свинцовый

где f₂₃₈, f₂₄₀ и f₂₄₂ - фракции присутствующих в пробе изотопов плутония.

Рассмотрим конструктивные особенности одной из таких установок счета нейтронных совпадений, эксплуатируемой Министерством энергетики США (рис. 1).

Рис. 1. Схема пассивного счетчика нейтронных совпадений типа AWCC

Она представляет собой систему детекторов тепловых нейтронов, использующую пропорциональные счетчики ³Не с полиэтиленом в качестве замедлителя. Традиционные счетчики совпадений имеют одно или 2 кольца трубок ³Не, их эффективность от 18% до 25%, а мертвое время порядка 200 нс или более. Нейтроны, испускаемые образцом, замедляются в полиэтилене и регистрируются ³Не-счетчиками. Полость для образцов защищена кадмием от медленных нейтронов, возвращающихся из полиэтилена, с целью снижения самоэкранирования образца. Счетчик может работать в двух режимах: на тепловых и на быстрых нейтронах. При режиме счета быстрых нейтронов стенки полости для образца покрывают кадмием. Измерения в режиме на быстрых нейтронах лучше подходят для образцов с большой массой, а на тепловых - для образцов с малой массой. Измерения в режиме на тепловых нейтронах позволяют уменьшить статистическую погрешность контроля малых образцов. Для больших образцов большая величина сечения ведет к экранированию внутреннего объема и искажению результата.

Также существуют самые разнообразные детекторы для регистрации нейтронов и фотонов. Отдавая предпочтение тому или иному из них, следует принимать во внимание основные их характеристики и условия, в которых они будут работать. Необходимо учесть вид падающего внешнего излучения, эффективность его регистрации, способность раздельного детектирования нейтронов и фотонов, предполагаемую скорость счета и некоторые другие. Не следует сбрасывать со счетов и такой момент, как стоимость детектора. В промышленных установках, которые выпускаются массовым тиражом, стоимость всех ее составляющих, в том числе детекторов, является немаловажным фактором. Приходится делать выбор между необходимыми параметрами установки и экономической целесообразностью ее производства.

В последнее время детекторы с газонаполненными счетчиками излучений (например ³Не) значительно подорожали, и разработчики подобных установок все больше стали склоняться к использованию сцинтилляционных детекторов. В настоящее время имеется большое количество самых разнообразных жидких сцинтилляторов, способных разделять нейтроны и гамма-кванты в различных участках энергетического спектра. Это обстоятельство повышает множественность частиц и способствует высокой эффективности установки. Их недостатком следует считать высокую чувствительность к гамма-квантам в случае проведения нейтронных измерений.

К тому же, в большинстве реальных случаев число фоновых нейтронов от (б, n) - реакций слишком велико, что делает невозможным определение содержания ЯМ путем счета одиночных нейтронов. Нейтроны, возникшие при делении изотопов в образце ЯМ можно отделить от нейтронов (б, n) - реакций путем регистрации совпадающих по времени импульсов. Для источника ²⁵²Cf скорость счета реакции (б, n) равна нулю.

Таким образом, использование газонаполненных счетчиков типа AWCC для контроля ДМ становится все более дорогим. Отсюда вытекает целесообразность создания установки идентифицирующей ЯМ, которая должна удовлетворять следующим критериям:

§ работать в режиме on-line;

§ быть относительно недорогой;

§ иметь возможность работы в условиях больших загрузок измерительного тракта;

§ способность определять эффективную массу ²⁴⁰Pu.

Возникшая проблема требует решения следующих задач:

· ознакомиться с аппаратурой и методикой цифрового разделения частиц деления;

· измерить скорость счета совпадений нейтронов и фотонов спонтанного деления ²⁵²Cf в водной и свинцовой защитах различных толщин;

· обработать полученные данные;

· построить временные распределения скорости счета совпадений, и зависимости скорости счета от толщины защиты;

· сравнить полученные зависимости для разных защит;

· описать физическую природу изменения скорости счета совпадений при увеличении толщины слоя водной или свинцовой защиты;

· сделать вывод о толщине свинца, превышение которой сведет эксперимент к измерению только нейтронных совпадений;

· оценить время, потраченное на проведение измерений.

Решение поставленных задач являлось бы толчком в развитии системы учета и контроля ЯМ в нашей стране.2⁴⁰Pu является основным изотопом, загрязняющим оружейный ²³⁹Pu. Его наличие точно определяет характеристики ядерного оружия, а значит следить за его содержанием необходимо.

Глава 1. Описание установки скорости счета совпадений частиц деления

1.1 Особенности работы с установкой счета совпадений

Схема измерительной установки

Установка счета скорости совпадений, на которой проводилась вся работа, схематически приведена на рис 2.

Рис. 2. Схема установки счета совпадений.

Система из четырех сцинтилляционных детекторов регистрирует частицы деления ²⁵²Сf. Жидкие сцинтилляторы представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. При попадании частицы в детектор возникает световая вспышка. Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод. На выходе ФЭУ возникает регистрируемый электрический импульс. Амплитудно-временная последовательность таких импульсов поступает в АЦП, где аналоговый сигнал из ФЭУ преобразуется в цифровой. Оцифрованная последовательность записывается на жесткий диск компьютера в специальном файле. Далее начинается процесс первичной обработки результатов измерений, записанных в компьютер. Для анализа полученных данных используется специальное ПО, описанное ниже. Именно оно должно дать качественную информацию о ДМ находящемся между детекторами.

Источник внешнего облучения установки

Среди источников нейтронов спонтанного деления трансурановых элементов наиболее распространенным является калифорниевый источник, который имеет самый большой выход нейтронов. Он компактен и испускает коррелированные во времени нейтроны и гамма-кванты деления. Это обстоятельство является мешающим при проведении измерений числа совпадающих по времени частиц деления образцов ДМ, и поэтому в некоторых случаях применение калифорниевого источника требует усложнения конструкции установки и введения коллимирующих излучение каналов. Энергетический спектр нейтронов от ²⁵²Cf такой же, как у изотопа ²⁴⁰Pu. Разница между ними лишь в том, что за одну секунду в одном грамме плутония происходит 473 процесса деления. Все важнейшие характеристики калифорниевого источника приведены в табл.1 (см. приложение). Малый вес источника, его механическая прочность и температурная стабильность позволяют использовать его в установках контроля, основанных на механическом передвижении источника. Следует отметить, что интенсивность спонтанного деления при этом составляет величину порядка 3% от интенсивности б-распада калифорния.

Детекторы, используемые для измерений

В настоящее время создано большое количество типов пластических и жидких сцинтилляторов, обладающих способностью регистрации нейтронов и гамма-квантов в различных участках энергетического спектра, что позволяет широко использовать их в установках активного контроля ДМ. Недостатком сцинтилляционных устройств следует считать их высокую чувствительность к регистрации гамма-квантов в случае проведения нейтронных измерений. Однако в некоторых жидких и твердых органических сцинтилляторах форма электрических сигналов от протонов, электронов и альфа-частиц имеет некоторое различие, что позволило создать схемы разделения их откликов. В этих сцинтилляторах наблюдается зависимость времени высвечивания от плотности ионизации вдоль трека частиц различного типа.

Поэтому форма протонов отдачи от рассеянных нейтронов и комптоновских электронов при рассеянии гамма-квантов имеет некоторое различие. В общем случае форму сцинтилляционного импульса можно представить в виде суперпозиции быстрой и медленной компонент, причем различие в форме импульсов наблюдается для медленной компоненты. В качестве примера на рис. 3 представлены нормированные на амплитуду сцинтилляционные импульсы различных частиц [4].

Рис. 3. Различие в форме нормированных на амплитуду сцинтилляционных импульсов различных частиц

Видно, что тяжелые заряженные частицы имеют большую долю медленной компоненты по сравнению с легкими частицами. Для разных сцинтилляторов различие в форме импульсов различно, поэтому качество разделения нейтронов и гамма-квантов сильно зависит от типа сцинтиллятора. В пластических сцинтилляторах такого различия нет, и поэтому регистрация нейтронов всегда сопровождается регистрацией гамма-квантов, которые невозможно отделить от нейтронов, что ограничивает их использование в разделении отклика нейтронов и гамма-квантов. Важнейшими преимуществами использования сцинтилляционных систем в установках активного контроля ДМ является их высокая эффективность и короткая длительность импульсов, лежащая в наносекундном диапазоне. Последнее обстоятельство позволяет использовать счетные тракты со сцинтилляторами при высоких загрузках. Кроме этого, сцинтилляторы могут быть использованы для получения информации о спектрах нейтронов и гамма - квантов или в некоторых случаях для получения спектральных характеристик излучений.

В настоящей работе для измерений используются жидко сцинтилляционные детекторы EJ 309. Их важнейшие свойства обозначены в табл.2 (см. приложение). Основным их преимуществом перед сцинтилляторами типа NE-203 или BC-501 является более высокая точка возгорания, достигающая отметки 144°C. Детекторы EJ 309 более безопасны и нетоксичны, они характеризуются низким давлением пара и совместимостью с акриловыми пластмассами.

1.2 Описание методики цифрового разделения нейтронов и фотонов деления

Аналоговый сигнал с выхода ФЭУ поступает на вход АЦП, который с заданной частотой преобразует его в числовую последовательность. Эта последовательность записывается на винчестер компьютера для последующей обработки. Длина последовательности определяется временем измерения и частотой оцифровки. Для обработки импульсов не нужны дополнительные электронные модули и блоки. Необходим лишь АЦП. Использование данной методики не требует сдвиговых регистров и специальных программ. Эти обстоятельства являются главными преимуществами технологий цифрового разделения.

Описание программы первичного сбора и обработки данных

Экспериментальные данные записываются в отдельный файл. Полученные результаты для каждой серии измерений обрабатывает специально написанная для данной задачи программа. Она предназначена для обработки оцифрованных амплитудно-временных распределений откликов смешенного радиационного излучения и идентификации откликов по форме. Используя различие в форме импульсов различных частиц, например, протонов отдачи (нейтронов) и электронов (гамма - квантов), можно получить их распределения по параметру разделения в виде раздельных колоколообразных кривых, вид которых представлен на рис. 4.

Рис. 4. Разделение частиц различного типа по форме их сцинтилляционных импульсов.

Для идентификации регистрируемых частиц для каждого отклика программой вычислялся параметр, характеризующий его форму (параметр разделения - ПР). В качестве такого параметра были рассмотрены следующие (рис.5):

отношение двух площадей, вычисленных для разных участков отклика:

ПР = S2/S1;

отношение площади выбранного участка отклика к его амплитуде:

ПР = S2/Max;

положение максимума отклика относительно начала интервала обработки;

длительность отклика на заданном уровне.

Границы участков задавались программно. Площади вычислялись как интеграл от аппроксимирующей функции F в заданных пределах.

Рис. 5. Схема вычисления параметра формы импульса.

Для анализа полученных результатов в программе создан широкий набор возможностей для графического и числового представления результатов обработки.

По окончании обработки результатов измерений программа выдает следующую информацию:

Амплитудное распределение откликов фотонов и нейтронов без учета поправки на просчеты в отдельном графическом окне;

Амплитудное распределение откликов фотонов (В) и нейтронов с учетом поправки на просчеты;

Временное распределение откликов фотонов (А) и нейтронов (Б) без учета поправки на просчеты;

Временное распределение откликов фотонов (В) и нейтронов (Г) с учетом поправки на просчеты;

Возможность просматривать отдельные импульсы в отдельном графическом окне;

Время прошедшее после начала измерения;

Уровень загрузки аппаратуры (частиц/сек);

Количество зарегистрированных нейтронов и гамма - квантов;

Долю забракованных импульсов;

Значение параметра разделения.

На рис. 6 представлена информация, выдаваемая программой обработки данных [5].

Рис. 6. Цифровые отклики нейтронов и фотонов

Рис. 6 иллюстрирует амплитудное распределение откликов фотонов и нейтронов без поправки на просчеты. Когда измерения производятся в условиях высоких загрузок измерительного тракта, возможно наложение импульсов друг на друга. Программа определяет долю испорченных импульсов и выбрасывает их из общего счета. Вывод амплитудного распределения откликов дается с поправкой на просчет. Также в программе реализована возможность просмотра отдельных зарегистрированных импульсов. Одно из графических окон служит для вывода точечных диаграмм, каждой точке которых соответствует отклик нейтрона или фотона.

Описание программы счета временных совпадений

Программа счета совпадений позволяет использовать уже обработанные ранее данные для подсчета временных совпадений различных кратностей. Если с задачей счета синглетов справляется программа первичной обработки, то для подсчета дуплетов и триплетов используется именно эта. Представляется возможным просчитать скорости счета следующих дуплетов: n-n, g-g и g-n, а также следующие комбинации триплетов: g-g-n, n-n-n, g-g-n и g-n-n. (рис. 7)

Рис. 7. Выбор типа совпадения из контекстного меню в программе

Сначала программа определяет количество всех двойных совпадений. После этого производится подсчет дуплетов типа g-g и n-n. Затем программа предоставляет возможность выбора дуплетов g-n.

Во время проведения обсчетов программный продукт выдает информацию о состоянии, в котором находится процесс: о местоположении и названии файла, с которым производится работа, о времени в течение которого производится обработка, о времени потраченном на каждое измерение. Важнейшей информацией, которую возможно извлечь является временное распределение скорости счета совпадений частиц. Более того, осуществлена возможность графически визуализировать данные зависимости.

Программа позволяет задавать различные параметры, при которых будет производиться обсчет совпадений, подключать или исключать из процесса обработки информацию, зарегистрированную тем или иным детектором.

1.3 Краткое описание математического аппарата счета нейтронных совпадений

Существует возможность определения измеренных интенсивностей одиночных, двойных и тройных совпадений от фактического образца ЯМ исходя из трех уравнений:

(3)

(4)

(5)

где F - скорость спонтанного деления, 473 делений/с-г ²⁴⁰Pu, так что m₂₄₀ = эффективная масса ²⁴⁰Pu,

e? - эффективность детектирования нейтронов,

M - размножение нейтронной утечки,

a? - отношение нейтронов реакций (a,n) к нейтронам спонтанного деления,

fd - фракция двойных совпадений в строб - импульсе,

ft - фракция тройных совпадений в строб - импульсе,

n_s1, n_s2, n_s3 - первый, второй и третий сокращенные моменты распределения нейтронов спонтанного деления,

n_i1, n_i2, n_i3 - первый, второй и третий сокращенные моменты распределения нейтронов вынужденного деления.

Для используемого в настоящей работе источника ²⁵²Сf параметр размножения нейтронов M будет равным единице, а отношение нейтронов реакции (a,n) к нейтронам спонтанного деления сводится к нулю. Таким образом, уравнения (3) - (5) значительно упрощаются [6].

Имеются уравнения с (3) по (5), которые соотносят одиночные, двойные и тройные совпадения с неизвестными параметрами образца.

Для измерений плутония в больших контейнерах, таких как бочки отходов, эффективность детектирования нейтронов e?может варьироваться от изделия к изделию. Это связано с тем, что материалы в больших контейнерах с отходами могут значительно влиять на выходной энергетический спектр нейтронов. В этой ситуации также неплохим приближением может быть допущение, что саморазмножение образца М равно 1. Тогда М может рассматриваться как известный параметр, и можно решить уравнения со (3) по (5) для эффективной массы ²⁴⁰Pu в образце m₂₄₀, скорости реакции (a,n) в образце a и эффективности детектирования нейтронов e. Для данного случая сначала используются измеренные значения для S, D и T, чтобы получить a:

???????????????????????????????????????????????????????????????????6?

Тогда интенсивность деления образца дается формулой:

(7)

Когда получено F, эффективную массу ²⁴⁰Pu в образце m₂₄₀ можно найти по формуле:

, (8)

а эффективность детектирования нейтронов дается формулой:

. (9)

Данные выкладки применимы только для счета нейтронных совпадений и не учитывают фотонной составляющей.

1.4 Выводы

В главе содержится подробное описание установки скорости счета совпадений частиц деления.

Представлены параметры детектирующих устройств, использованных для проведения эксперимента. Имеются четыре жидких сцинтиллятора, стоимость которых ниже, чем у газонаполненных ³Не счетчиков совпадений. Температура возгорания детекторов типа EJ 309 около 140°C, поэтому они более безопасны, чем счетчики NE-213 с точкой возгорания 100°C и химически нетоксичны.

Тщательным образом изложена суть методики цифрового разделения и подход к счету совпадений частиц различных кратностей.

Большое внимание было уделено сопроводительному программному обеспечению. Используемые программы позволяют задавать различные параметры для обработки данных. Их интерфейс прост, а обработанная с их помощью информация представлена в удобном для анализа виде. Они могут быть легко переписаны и приспособлены под конкретный эксперимент.

Кратко описан математический аппарат счета нейтронных совпадений. Даны три формулы (3) - (5) определения интенсивностей одиночных, двойных и тройных совпадений. Для источника ²⁵²Cf параметр размножения нейтронов будет равным 1, а отношение нейтронов реакции (a,n) к нейтронам спонтанного деления сводится к нулю. Тогда можно решить уравнения с (3) по (5) для эффективной массы ²⁴⁰Pu в образце m₂₄₀, скорости реакции (a,n) в образце a и эффективности детектирования нейтронов e.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что эксперимент имеет весьма мощную базу необходимую для решения поставленных задач: хорошую аппаратуру, источник ²⁵²Сf коррелированных во времени частиц, качественные недорогие детекторы и ПО с удобным интерфейсом.

Глава 2. Описание эксперимента

2.1 Описание эксперимента с водной защитой

Ключевым узлом установки является система, состоящая из четырех жидко сцинтилляционных детекторов типа EJ 309 фирмы Scionix, расстояние между которыми составляет 300 мм. Между ними помещается бак наполненный водой (рис.8). В воду опускается источник ²⁵²Сf, закрепленный на половине высоты бака. Принципиально важно, чтобы калифорний находился в геометрическом центре системы на одинаковом удалении от каждого из четырех детекторов. Эксперимент проводился для четырех толщин водной защиты: 138 мм, 97 мм, 58 мм, 32 мм.

Рис. 8. Установка счета совпадений частиц с источником ²⁵²Cf, окруженным водной защитой

Измерения включают в себя три этапа:

· измерение фона в зале, где находится установка;

· измерение скорости счета совпадений частиц деления ²⁵²Cf без защиты;

· измерение скорости счета совпадений частиц деления ²⁵²Cf, помещенного в бак с водой.

Водород является хорошим замедлителем нейтронов и является главным составляющим в большинстве материалов, применяемых для нейтронных защит. Ядро атома водорода имеет с хорошей степенью точности такую же массу, как и нейтрон, поэтому при каждом акте упругого рассеяния на ядре водорода нейтрон теряет примерно половину первоначальной энергии. Вода часто встречающийся материал радиационной защиты, имеющий высокую ядерную плотность водорода.

Акт деления ядра сопровождается испусканием 7-8 коррелированных по времени гамма - квантов со средней энергией 1 МэВ и 2ч3 нейтронов со средней энергией 2 МэВ. Прежде чем детектор зарегистрирует эти частицы, им предстоит пройти водяную толщу.

Толщина слоя водородосодержащей защиты, ослабляющей гамма-излучение с энергией 0,5МэВ в 10 раз, составляет 24 см. Проникающая способность фотонов увеличивается с ростом их энергии и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией 1 МэВ равен 0,07, что в 10 раз меньше значения этой же величины для свинца.

Быстрые нейтроны при каждом соударении с легким ядром будут терять часть своей энергии. В обычной воде для замедления до тепловой энергии им необходимо в среднем 19 соударений. Из-за повышенного захвата тепловых нейтронов в водороде их количество, зарегистрированное детектором, будет значительно сокращаться с увеличением толщины слоя воды.

2.2 Описание эксперимента с изменением толщины свинцовой защиты

В данном эксперименте (рис.9) в системе происходит увеличение слоя свинцовой защиты при помощи блоков толщиной 50 мм. Опыт проделан для трех толщин: 50 мм, 100 мм, 150 мм. Источник ²⁵²Сf также помещается в геометрическом центре системы на равном удалении от каждого из четырех сцинтилляторов. Слой свинца 150 мм ослабляет фотонное излучение в 100000 раз, а толщина 100 мм ослабляет излучение в 1000 раз. Линейный коэффициент ослабления фотонов в этой среде в десять раз выше, чем в воде (около 0,79). Несмотря на то, что гамма - кванты должны полностью поглотиться в материале защиты, детектор все равно их регистрирует. Однако эти фотоны имеют совсем другую природу. Быстрые нейтроны, пролетевшие сквозь свинец, попадают в сцинтиллятор, где теряют энергию на легких ядрах материала сцинтиллятора, и становятся тепловыми. Радиационный захват теплового нейтрона ядром атома водорода сопровождается испусканием гамма - кванта с энергией 2,23 МэВ, который и фиксируется детектором. Однако этот фотон не коррелированный и не будет включен в счет совпадений.

Рис. 9. Установка счета совпадений с ²⁵²Cf источником, помещенным в свинцовую защиту.

2.3 Выводы

Вторая глава содержит описание физической сути эксперимента по измерению скоростей счета совпадений частиц деления за слоем воды и свинца. Рассмотрена компоновка защитных материалов.

Описаны особенности взаимодействия нейтронов деления с атомами водородосодержащей и свинцовой защиты. Быстрые нейтроны будут замедляться в воде и станут тепловыми. Значительная их часть будет захватываться на водороде. С увеличением размеров бака детектор будет регистрировать все меньше нейтронов деления. Использование защиты из свинца будет постепенно снижать количество регистрируемых нейтронов.

Описано взаимодействие гамма-излучения с водой и свинцом. Толщина слоя воды, которая ослабит поток гамма - квантов деления в 10 раз, значительно превосходит размеры самого большого из использованных в эксперименте баков (для фотона с энергией 0,5 МэВ составляет 240 мм). Линейный коэффициент ослабления гамма - излучения в свинце в 10 раз превосходит это же значения для водной защиты. Толщина свинца в 10 мм ослабит поток фотонов в 2 раза.

Глава 3. Результаты эксперимента и их обработка

3.1 Сравнение временных распределений скорости счета совпадений различного типа для свинцовой и водной защиты

На основании обработанных результатов измерений, приведенных в табл.3-23 (см. приложение), строятся временные распределения скоростей счета совпадений частиц деления. На преведенных ниже зависимостях (рис.10-11) видно, что с увеличением толщины слоя водной защиты количество двойных g-g совпадений постепенно уменьшеется. При установке свинцовой защиты любой толщины гамма-квант поглощается тяжелыми ядрами свинца, поэтому совпадений типа g-g не наблюдается. Измерения скорости счета временных совпадений частиц деления ²⁵²Сf без защиты в обоих экспериментах должны давать одинаковые количества совпадений при измерениях в одной и той же геометрии. Все гамма совпадения регистрируются детектором во временном интервале от 1 до 5 нс. За ним их количество практически сводится к нулю.

Рис. 10. Временное распределение скорости счета g-g совпадений для водной защиты.

Рис. 11. Временное распределение скорости счета g-g совпадений для свинцовой защиты

Рассматривая временные распределения скорости счета совпадений типа g-g-g (рис.12 и 13), становится очевидным, что как и в случае с дублетами (совпадения g-g) количество совпадений будет постепенно падать с увеличением слоя воды, а наличие любой защиты из тяжелого свинца сведет к нулю количество триплетов. После временной отметки 5 нс совпадений почти нет.

Рис. 12. Временное распределение скорости счета g-g-g совпадений для водной защиты.

Рис. 13. Временное распределение скорости счета g-g-g совпадений для источника без свинцовой защиты.

Временной диапазон, в котором наблюдаются нейтронные совпадения, шире, чем у гамма-квантов. В данном случае (рис.14 и 15) верхней его границей является отметка 14 нс. Увеличение слоя любой из использованных защит будет сопровождаться постепенным падением скорости счета совпадений типа n-n.

Рис. 14. Временное распределение скорости счета n-n совпадений для водной защиты.

Рис. 15. Временное распределение скорости счета n-n совпадений для свинцовой защиты.

Кривая, описывающая временное распределение скорости счета g-n совпадений (рис.16 и 17) представляет собой суперпозицию кривых гамма-квантов (до отметки 5 нс) и нейтронов (от 5 до 14 нс). Если источник поместить в бак с водной защитой, скорость счета совпадения типа g-n постепенно падает с уменьшением толщины этой защиты. В случае со свинцовой защитой не наблюдается совпадений данного типа, т. к гамма-квант поглощаются тяжелым свинцом.

Рис. 16. Временное распределение скорости счета g - n совпадений для водной защиты.

Рис. 17. Временное распределение скорости счета g - n совпадений для свинцовой защиты.

Если источник находится за слоем свинца, обнуление скорости счета совпадений характерно и для триплетов типа g-g-n и g-n-n, а увеличение толщины защиты из воды постепенно ее снизит (рис.18 и 19). Совпадения зарегистрированы в широком временном промежутке до 20 нс.

Рис. 18. Временное распределение скорости счета g-g-n совпадений для водной защиты.

Рис. 19. Временное распределение скорости счета g-g-n совпадений для свинцовой защиты.

Рис. 20. Временное распределение скорости счета g-n-n совпадений для водной защиты.

Рис. 21. Временное распределение скорости счета g-n-n совпадений для источника без водной защиты.

На рис. 22-25 изображены временные зависимости скоростей счета всех двойных и всех тройных совпадений для свинцовой и водной защиты. Примечательно, что если источник не находится за слоем свинца, кривая временного распределения скорости счета состоит из двух отчетливо выраженных частей. Первая часть, до 5 нс, относится к гамма - квантам деления, которые практически мгновенно долетают до детектора. Вторая часть характеризует нейтронные совпадения. Временной интервал, в котором регистрируются нейтроны, ограничен 20 нс. Это связано с их меньшей скоростью, чем у фотонов и, соответственно, сравнительно большим временем пролета.

Рис. 22. Временное распределение скорости счета всех двойных совпадений для свинцовой защиты.

Рис. 23. Временное распределение скорости счета всех двойных совпадений для водной защиты.

Рис. 24. Временное распределение скорости счета всех тройных совпадений для свинцовой защиты.

Рис. 25. Временное распределение скорости счета всех тройных совпадений для водной защиты.

3.2 Сравнение скоростей счета совпадений в зависимости от толщины водной или свинцовой защиты

Основываясь на массивах данных (табл.32-38, см. приложение), обработанных компьютерными программами, нужно подвергнуть анализу зависимость изменения скоростей счета совпадений от толщины защиты, за которой находится источник. Из рис.26 и 27 видно, чем больше толщина слоя защиты, тем скорость счета совпадений ниже. Теоретически, если проводить измерения без защиты, то количество дублетов и триплетов должно быть одинаковым для обоих экспериментов. В данном случае расхождение объясняются тем, что в опытах с водой и со свинцом расстояние между детекторами было неодинаковым, поэтому эксперимент проводился с разными эффективностями. Ниже приведены графики зависимостей скоростей счета совпадений нейтронов и фотонов деления различных кратностей от толщины защит, за которыми расположен источник ²⁵²Cf.

Рис. 26. Суммарная скорость счета совпадений различной кратности в зависимости от толщины водной защиты.

Рис. 27. Скорость счета всех совпадений различной кратности в зависимости от толщины свинцовой защиты.

Рис. 28. Скорость счета нейтронных совпадений в зависимости от толщины водной защиты.

Рис. 29. Скорость счета нейтронных совпадений в зависимости от толщины свинцовой защиты.

На рис. 30 и 31 приведены зависимости скоростей счета гамма совпадений различных кратностей для различных толщин защит. Слой воды незначительно ослабляет фотонное излучение, поэтому наблюдается большое количество коррелированных гамма-квантов. При самой малой толщине свинца все фотоны поглотятся, и счет совпадений сведется нулю.

Рис. 30. Скорость счета гамма совпадений в зависимости от толщины водной защиты.

Рис. 31. Скорость счета гамма совпадений в зависимости от толщины свинцовой защиты.

Рис. 32. Скорость счета g-n совпадений в зависимости от толщины водной защиты.

Рис. 33. Скорость счета g-n совпадений в зависимости от толщины свинцовой защиты.

Рис. 34. Скорость счета g-g-n и g-n-n совпадений в зависимости от толщины водной защиты.

Для свинцовой защиты невозможно построить аналогичную рис.34 зависимость из-за поглощения гамма - кванта тяжелыми ядрами свинца.

На рис. 35-36 даны зависимости скоростей счета отдельных синглетов от толщины защиты. Видно, что суммарное количество всех частиц, зарегистрированных детектором EJ 309 за водородосодержащей защитой, в основном, складывается из фотонов.

Нейтронов в общем счете частиц значительно меньше. Свинец же поглотит все гамма кванты и совпадений не будет. Однако гамма - кванты, как показано на рис. 39, все равно регистрируются.

Нейтрон замедлится и станет тепловым при взаимодействии с ядрами материалов, которыми наполнен детектор. Радиационный захват этой частицы приводит к испусканию фотона с энергией 2,23 МэВ. Именно этот квант включен в счет синглетов.

Рис. 35. Скорость счета отдельных синглетов в зависимости от толщины свинцовой защиты.

Рис. 36. Скорость счета отдельных синглетов в зависимости от толщины водной защиты.

3.3 Выводы

Третья глава содержит описание результатов проделанной работы. Данные эксперимента обработаны и представлены в удобном для анализа виде. На их основании построены следующие зависимости:

· временное распределение скорости счета совпадений различного типа;

· зависимость скорости счета совпадений различного типа от толщины защиты.

Тщательно изучив полученную информацию, сделаны определенные выводы.

В эксперименте с водной защитой коррелированные нейтроны и фотоны деления ²⁵²Cf регистрируются детектором не одновременно. Гамма-квант со скоростью света практически мгновенно долетает до сцинтиллятора. Поэтому их фиксируют в диапазоне до 5 нс. Нейтроны, взаимодействуя с ядрами атома водорода теряют энергию и регистрируются значительно позже. На графиках их можно идентифицировать во временном диапазоне от 5 нс до 20 нс. Попытка проделать измерения с меньшей эффективностью детектирующей системы, т. е с увеличением расстояния между сцинтилляторами, приведет к изменению временного диапазона регистрации нейтронных совпадений.

Во-вторых, подробное рассмотрение графиков этих зависимостей позволило сделать вывод о толщине свинца, за которой измерение скорости счета совпадений частиц деления сведется только к измерениям нейтронных совпадений. Даже самая малая толщина свинца, составленная из блоков толщиной 50 мм поглощает все гамма-кванты настолько, что все дублеты и триплеты, в которых присутствует фотон, просто не наблюдаются.

В-третьих, на основании обработанной информации провели оценку временных затрат, необходимых для проведения измерений. Они превосходят отметку 1000 секунд. Оптимизация условий, в которых проводились эксперименты, набора статистики, необходимой для получения приемлемой погрешности должно привести к уменьшению затраченного времени. Однако это изменение оно будет незначительным. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что наша установка является экспериментальной. Проделанные опыты позволяют утверждать, что измерительная система действительно справляется со своей основной задачей. Она правильно разделяет отклики от нейтронов и фотонов деления ²⁵²Cf. Для того, чтобы ее можно было использовать в промышленных масштабах необходимо оборудование способное работать с более высокими показателями быстродействия системы и загрузками измерительного тракта.

Наличие такого оборудования позволит проделывать всю совокупность измерений в рамках 1000 секунд.

Заключение

Подсчет временных совпадений частиц - это быстрая методика НРА, которая извлекает немного полезной качественной и количественной информации из счета временных совпадений нейтронов и фотонов ²⁴⁰Pu. Испускаемые при спонтанном делении частицы, обеспечивают мощную сигнатуру для плутония. В идеале, эта информация должна обеспечить уникальную сигнатуру для плутония, а также должна определить граммы эффективной массы ²⁴⁰Pu в пробе, где это количество определено как такая масса ²⁴⁰Pu, которая дала бы тот же отклик двойных совпадений, что и полученный от всех четных изотопов в фактической пробе. Была поставлена следующая задача: оценить возможность создания системы, которая быстро справится с определением концентрации изотопа ²⁴⁰Pu в материалах, содержащих плутоний. Зарубежные установки счета совпадений с ³Не счетчиками стали слишком дорогими, поэтому эксплуатирующие организации постепенно отказываются от их использования. Как следствие появилась потребность более дешевого, но не менее эффективного аналога.

Данная работа направлена на проведение ряда экспериментов, результаты которых позволяли бы говорить о способности установки разделять нейтроны и фотоны спонтанного деления ²⁵²Cf. Подобная система будет конкурентно способной при условии, что сможет справляться со своей основной задачей в определенных временных рамках.

Первым шагом на пути к поставленной цели являлось ознакомление с методикой цифрового разделения частиц спонтанного деления ²⁵²Cf, имеющейся аппаратурой, с интерфейсом ПО обработки данных. Детальное изучение всего вышеперечисленного позволяет утверждать следующее:

· применяется все необходимое оборудование, для решения задачи, связанной с определением эффективной массы изотопа ²⁴⁰Pu;

· используется программное обеспечение, имеющее удобный пользовательский интерфейс, наглядно представляющее обработанную информацию и легко адаптируемое под условия конкретной задачи;

· имеются в наличии жидкие сцинтилляторы EJ 309, способные разделять нейтроны и фотоны деления, относительно недорогие по сравнению с газонаполненными счетчиками, достаточно безопасные и нетоксичные.

Проделаны измерения скоростей счета временных совпадений частиц деления ²⁵²Cf в контейнерах из свинца и воды. На основании результатов поставленных экспериментов были построены временные распределения и зависимости скорости счета совпадений от толщины защиты. Анализ и сравнение полученной информации для каждой серии измерений позволяют делать определенные выводы.

Во-первых, временное распределение скоростей счета показывает, что гамма кванты, которые изотропно испускаются ²⁵²Cf, проникает сквозь слой воды и регистрируются детектором практически мгновенно. С ростом слоя водородосодержащей защиты уменьшается число совпадений частиц деления различных кратностей. Часть графика, соответствующая гамма совпадениям, находится в диапазоне от 1 до 5 нс. Нейтронным совпадениям соответствует интервал 5-20 нс. Гамма - кванты, двигаясь со скоростью света, будут регистрироваться практически мгновенно. Нейтроны будут терять энергию при взаимодействии с ядрами атомов водорода. Замедлившись до тепловой области, их скорость упадет с 10⁷ м/с до 10³ м/с. Следовательно, границы временного диапазона, в котором они детектируются, расширятся от 5 до 25 нс и более. Это зависит от расстояния между сцинтилляторами.

Во-вторых, результаты эксперимента со свинцовой защитой позволяют утверждать, что использование блоков минимальной толщины (50 мм) приведет к поглощению фотонов. Все измерения будут сведены к счету только нейтронных совпадений. Замедлившись в материале сцинтиллятора до тепловой энергии, нейтроны будут захвачены ядрами атомов водорода с испусканием фотона, а значит, детекторы будут регистрировать некоррелированные гамма - кванты.

Проводилась оценка временных затрат, необходимых для проведения измерений. Подсчет реального времени эксперимента показал, что работа установки в промышленных масштабах требует оборудование с более высоким быстродействием. На данном этапе развития оптимизация различных параметров измерительной системы, а также статистики, при которой эксперимент будет проведен с допустимой погрешностью, позволит незначительно снизить затраченное время.

Подводя итоги проделанного исследования, необходимо отметить, что оно позволило ответить на поставленные ранее вопросы о возможности создания установки счета совпадений для оценки содержания изотопа ²⁴⁰Pu в ЯМ. На каждом этапе выполнения работы были сделаны определенные выводы о том, как оптимизировать работу измерительной системы. Выявлены достоинства и недостатки методики цифрового разделения частиц, даны рекомендации для дальнейшего усовершенствованию установки. Работа внесла ясность в вопрос о информации, которую возможно извлечь из счета временных совпадений частиц спонтанного деления. Можно утверждать, что создание измерительной системы, способной быстро справляться с поставленной задачей, станет мощным толчком в развитии системы учета и контроля ЯМ в нашей стране.

Литература

1. Физические методы и установки активного контроля делящихся материалов: Учебное пособие. Ромоданов В.Л. М.: МИФИ, 2010. - 196

2. Основы учета, контроля и физической защиты ядерных материалов: Учебное пособие / Под ред. Э.Ф. Крючкова. М.: МИФИ, 2007. - 544 с. Авторы: А.В. Бушуев, В.Б. Глебов, Н.И. Гераскин, А.В. Измайлов, Э.Ф. Крючков, В.В. Кондаков.

3. Счет множественности нейтронов: Руководство по эксплуатации. Справочник. N. Ensslin W. C., Harker M. S., Krick D. G., Langner M. M., Pickrell J,E. Stewart. Лоc-Аламосская НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ. Издан: Ноябрь 2008 г.

4. Отчет о разделении совпадений. Белевитин А.Г. НИЯУ "МИФИ", 2011.

5. Научно-технический отчет. "Разработка цифровой технологии для установок неразрушающего контроля делящихся материалов, состава ТВС ядерных реакторов и комплексов дозиметрической аппаратуры", Ромоданов В.Л., Афанасьев В.В., Белевитин А.Г. НИЯУ "МИФИ", Москва, 2014 г.

6. Диссертация на соискание степени доктора философии: "Моделирование, обнаружение и определение характеристик ядерных материалов", Андреас Энквист (Andreas Enqvist), Goteborg (Sweden), 2010.

7. Комплекс цифровой обработки данных в установках обнаружения радиоактивных и делящихся материалов, В.Л. Ромоданов, В.В. Афанасьев, А.Г. Белевитин, Р.Ю. Рябов., Препринт МИФИ, 2005 г.

8. Ядерное нераспространение: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. В 2-х томах. Том 1/ И.А. Ахтамзян и др. Под. общ. ред.В.А. Орлова.2-е изд., переработанное и расширенное. - М.: ПИР-Центр, 2002. - 528 c.

9. Активные методы контроля делящихся материалов: Учеб. пособие для вузов / Ромоданов В.Л. - М.: МИФИ, 2011. - 60 с.