СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ В ПРИСУТСТВИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF DETECTING NEUTRONS IN PRESENCE OF GAMMA-RADIATION

Изобретение относится к области измерении плотности потока нейтронов с помощью различных типов детекторов, в частности пропорциональных и коронных счетчиков медленных нейтронов, импульсных камер деления. Оно может быть использовано в отраслях промышленности, связанных с делящимися материалами, для определения параметров, производных от плотности потока нейтронов, и обеспечения ядерной безопасности.
4
12
На предприятии по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) приборы нейтронного контроля применяются для определения концентрации и массы плутония, накопления и распределения плутония в оборудовании, выгорания ОЯТ, уровня растворов и твердых компонентов в специальных аппаратах, где нельзя применить другие методы измерения уровня, а также в нейтронной абсорбциометрии и нейтронных методах контроля с использованием внешних источников излучений. В большинстве точек контроля потокам нейтронов сопутствует гамма-излучение (ГИ). При этом отношение числа гамма-квантов к числу нейтронов находится в пределах от 10 до 10.
Известно, что присутствие ГИ чрезвычайно затрудняет регистрацию нейтронов и зачастую является определяющим фактором, не позволяющим реализовать саму эту возможность. Причинами такого влияния являются:
- образование ложных импульсов большой амплитуды, сравнимых с импульсами от нейтронов, за счет многократных гамма-гамма наложений, что требует повышения порога дискриминации для их отсечки;
- падение коэффициента газового усиления счетчиков.
И то и другое приводит к снижению скорости счета нейтронов.
Поэтому применяют различные способы защиты от ГИ или снижения его отрицательного влияния. Самым эффективным и наиболее близким к заявляемому является способ [RU 2351953 C1, 10.04.2009, Бюл. №10], взятый за прототип.
γ
γ
γ
γ
Драб
γ
γ
nγ
n0
γ
nγ
n0
γ
В известном способе дополнительно измеряется постоянный ток I, возникающий в детекторе нейтронов под действием ГИ. Затем по найденным при предварительной градуировке зависимостям тока I от мощности дозы (МД) ГИ, т.е. I=f(МД ГИ), порога дискриминации от тока I, т.е. U=f(I), степени деформации интегрального спектра импульсов от тока I, т.е. ΔN=(N-N)=f(I), где N и N - соответственно значения скорости счета нейтронов при наличии и отсутствии ГИ, и измеренные значения тока I используются для определения МД ГИ, определения и установки такого порога рабочей дискриминации, который обеспечивает максимальную эффективность детектора в текущем цикле измерений (при данной МД ГИ), а затем для приведения ее к максимально возможной, имеющей место в отсутствие ГИ.
выс1
γ
γ
выс2
выс1
γ
Драб
выс3
выс2
nγ
n0
3
В этом способе предложена тактовая процедура измерений, которая заключается в следующем. В 1-м такте устанавливается максимально высокое напряжение питания детектора U, при котором еще отсутствует ток I, и подстраивается нуль схемы измерения тока I. Во 2-м такте устанавливается напряжение питания детектора U>U, при котором измеряется ток I, по нему определяется МД ГИ и устанавливается порог рабочей дискриминации U. В 3-м такте устанавливается напряжение питания детектора U>U, при котором регистрируется нейтронное излучение, измеряется скорость счета нейтронов N, которая затем приводится к значению N, единственно соответствующему плотности потока нейтронов в объекте контроля. Этот способ позволил, в частности, использовать для определения плотности потока нейтронов самые эффективные, но вместе с тем наиболее подверженные отрицательному воздействию ГИ, Не-счетчики, при МД ГИ, более чем на порядок превышающие значения, установленные для них техническими условиями.
Недостатками известного способа являются:
- нестабильная работа каналов детектирования (нейтронного и частично токового);
- длительные перерывы в контроле на время извлечения детектора из объекта измерения для проверки с применением контрольных радиоактивных источников и последующего восстановления исходных метрологических характеристик каналов детектирования.
Предлагаемое изобретение направлено вообще на отказ от контроля за стабильностью работы каналов детектирования нейтронов как в отсутствие, так и при наличии ГИ, с сохранением их исходных метрологических характеристик.
Техническими результатами изобретения являются:
- исключение влияния нестабильности работы каналов детектирования нейтронов на результаты измерений с обеспечением максимально возможной эффективности детекторов при любых значениях МД ГИ (в пределах их работоспособности);
- повышение производительности труда эксплуатационного персонала за счет отказа от контроля за стабильностью каналов детектирования нейтронов;
- исключение перерывов в текущих измерениях.
Способ регистрации нейтронов в присутствии гамма-излучения с тактовой процедурой измерений заключается в использовании экспоненциального характера зависимости скорости счета импульсов на нерабочей ветви интегрального спектра импульсов от уровня дискриминации [Ю.М. Толченов, В.Г. Чайковский, ПТЭ, 1963, №6, с.6, рис.2] для выбора и фиксации рабочего порога дискриминации при регистрации скорости счета нейтронов.
выс3
Ш
Д
Ш1
Ш2
Ш2
n
n
Ш
n
Драб
Драб
n
-1
-2
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. После установки напряжения питания U, при котором регистрируются нейтроны, на нерабочей ветви интегрального спектра импульсов в логарифмическом масштабе, где зависимость скорости счета импульсов от уровня дискриминации, ln N=f(U), линейна, выбираются два значения скорости счета: 1-е (N) - максимально высокое, но в пределах разрешающей способности усилительного тракта, т.к. вне этих пределов нарушается линейность указанной зависимости, 2-е (N) - низкое с соблюдением условия N≥10·N, где N - ожидаемая скорость счета нейтронов. Прямая, соединяющая эти точки, экстраполируется на ось дискриминаций, имеющую линейный масштаб. Точка пересечения на оси дискриминаций в области N≤(10-10)·N принимается в качестве порога рабочей дискриминации U, при котором можно пренебречь вкладом шумовых импульсов в измеряемую после установки U скорость счета нейтронов N. Все процедуры выполняются автоматически в каждом измерительном цикле по программе, занесенной в контроллер канала детектирования.
Драб
Предлагаемый способ выбора U позволяет всегда работать при максимально возможной эффективности канала детектирования и обеспечивать достоверность измерений скорости счета нейтронов независимо от стабильности его параметров (таких, как коэффициент усиления тракта или диапазон дискриминатора).
Пример.
n
ncp
n
n
На фиг.1 приведены интегральные спектры импульсов, полученные авторами с одним и тем же источником нейтронов, но при разных значениях коэффициента усиления измерительного тракта, в таблице 1 - результаты измерений скорости счета нейтронов (N) с использованием предлагаемого способа выбора уровня дискриминации, где N - среднее арифметическое результатов измерений, ΔN и δN - соответственно абсолютные и относительные отклонения от среднего.
Таблица 1.
Результаты измерений скорости счета нейтронов при различных значениях коэффициента усиления измерительного тракта.
Коэффициент усиления K<sub>1</sub>, отн. ед.
Порог дискриминации, U<sub>Драб</sub>, В
Скорость счета нейтронов, N<sub>n</sub>, с<sup>-1</sup>
ΔN<sub>n</sub>, с<sup>-1</sup>
δN<sub>n</sub>, %
K<sub>1</sub>=1
3,50
65,54±1,6
0,47
0,72
K<sub>2</sub>=0,42
1,47
64,71±1,6
-0,36
-0,55
K<sub>3</sub>=0,294
1,03
65,26±1,6
0,19
0,29
K<sub>4</sub>=0,195
0,68
64,78±1,6
-0,29
-0,45
-
-
N<sub>ncp</sub>=65,07±0,2
-
-
Из таблицы 1 следует, что результаты измерений, как и отклонения от среднего арифметического, не носят системного характера, т.е. не зависят от коэффициента усиления, несмотря на то, что тот, в конечном итоге, был снижен более чем в пять раз.
γ
n0
nγ
γ
γ
выс1
выс2
γ
Остается потенциальная зависимость от стабильности работы канала измерения тока I конечного результата измерений - скорости счета нейтронов N, полученной приведением скорости счета N, зарегистрированной при наличии ГИ, к условиям МД ГИ=0 через значения I=f (МД ГИ). Следует отметить, что в прототипе канал измерения тока изначально отличался от канала детектирования нейтронов повышенной надежностью благодаря более простой схеме, состоящей из промышленных функционально законченных современных блоков (дифференциального усилителя ДУ, преобразователей ЦАП и АЦП, ВН - источника высокого напряжения повышенной точности) и наличию автоподстройки нуля дифференциального усилителя (ДУ). Тем не менее, как показано на блок-схеме канала измерения тока I (фиг.2) в предлагаемом способе приняты дополнительные меры по повышению его стабильности. Это контроль воспроизводимости реперного сигнала включаемым герконовым реле после автоподстройки нуля ДУ и возможность автоподстройки выходных напряжений U и U источника ВН в случаях отклонений от заданных значений соответственно перед автоподстройкой нуля ДУ и измерением тока I.
выс1
γ
γ
выс2
выс1
γ
γ
выс3
Драб
nγ
n0
nγ
γ
n0
Таким образом, при определении плотности потока нейтронов в условиях сопутствующего ГИ в предлагаемом способе тактовые процедуры должны быть следующими. В 1-м такте устанавливается максимально высокое напряжение питания детектора U (с возможной его автоподстройкой), при котором еще отсутствует ток I, и подстраивается нуль схемы измерения тока I. Во 2-м такте устанавливается напряжение питания детектора U≥U (с возможной его автоподстройкой), измеряется ток I и по заранее полученной градуировочной зависимости I=f (МД ГИ) определяется МД ГИ. В 3-м такте устанавливается напряжение питания детектора U для измерения скорости счета нейтронов, по нерабочей ветви интегрального спектра импульсов определяется и устанавливается рабочий порог дискриминации U, измеряется скорость счета нейтронов N и по заранее полученной градуировочной зависимости N=f(N, I) определяются скорость счета нейтронов N, которая должна быть в отсутствие ГИ, и по ней, в соответствии с паспортной чувствительностью детектора, искомая плотность потока нейтронов.
γ
Драб
Ш
5
-1
В результате предлагаемый способ выбора рабочего уровня дискриминации каналов детектирования нейтронов и дополнительные меры по повышению стабильности канала измерения тока I позволяют вообще исключить процедуру контроля за стабильностью их работы и ограничится лишь автоматической сигнализацией отказа или ухудшения параметров аппаратуры до степени, ставящей под сомнение саму возможность регистрации нейтронов, например, когда при U=0 скорость счета импульсов составит N≤10 с.