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

Изобретение относится к области регистрации ядерных излучений, а более конкретно к способам измерений плотности потока нейтронов (ППН) в присутствии других видов излучений, преимущественно жесткого гамма-излучения (ГИ), и может быть использовано во всех отраслях промышленности, связанных с делящимися материалами, для определения других, производных от ППН параметров, и обеспечения ядерной безопасности. Например, на предприятиях по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ), на которых широко используются приборы нейтронного контроля, - 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; в нейтронной абсорбциометрии; в нейтронных методах контроля с использованием внешних источников излучений.
Классический способ регистрации ППН, применяемый с несущественными вариациями во всем мире, реализуется приборами, построение которых иллюстрируется функциональной блок-схемой на фиг.1. Подобная блок-схема приведена, например, в [Дуглас Райлли, Норберт Эсслин, Хэйстингс Смит, мл. и Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов: Пер. с англ. - М.: ЗАО "Издательство Бином", 2000, - стр.409]. На ней, в отличие от схемы на фиг.1, нет источника высокого напряжения детектора. Но без него невозможно функционирование детектора. И о том, что такой источник подразумевается, свидетельствуют приведенные в той же книге блок-схемы включения газонаполненных детекторов (стр.42, 378), в которых источник высокого напряжения показан.
Резистор R, устанавливаемый между источником высокого напряжения и детектором, называется нагрузочным и согласующим. Он обеспечивает согласование между низким выходным сопротивлением источника высокого напряжения и высоким внутренним сопротивлением детектора.
Амплитуда импульсов, поступающих от детектора нейтронов, недостаточна для проведения над ними измерительных действий, поэтому необходимо их усиление. Эту функцию выполняют предусилитель и усилитель.
Функциональное назначение интегрального дискриминатора - пропускать только импульсы, образованные нейтронами, и отсекать шумы аппаратуры, электрические помехи и импульсы, образованные другими видами излучений. Импульсы на выходе дискриминатора для удобства их последующей регистрации нормируются по амплитуде и длительности.
Назначение пересчетного устройства - за заданное таймером время регистрировать количество импульсов, поступающих после дискриминатора, и определять таким образом скорость счета нейтронов (ССН), по которой затем, с учетом чувствительности детектора и порога дискриминации, определяют ППН в месте измерения.
Для осуществления классического способа регистрации нейтронов с помощью описанной схемы требуются обязательные процедуры, такие как установка значения высокого напряжения в соответствии с типом детектора и режимом его работы (например, пропорционального режима или режима коронного разряда), обеспечивающего максимальную эффективность детектора, установка порога дискриминации, обеспечивающего регистрацию только нейтронных импульсов, установка в таймере времени набора импульсов в соответствии с заданной статистической погрешностью.
12
Гамма-излучение является серьезным препятствием для регистрации нейтронов при измерениях ОЯТ, а также при контроле технологических параметров по нейтронному излучению растворов с ОЯТ, так как отношение числа гамма-квантов к числу нейтронов может достигать 10, и чувствительность детектора к гамма-излучению зачастую становится определяющим фактором.
Влияние ГИ на ССН является следствием двух основных процессов, происходящих в детекторе под действием ГИ.
Первый - образование ложных импульсов большой амплитуды, сравнимых по амплитуде с импульсами от нейтронов, за счет многократных гамма-гамма наложений. Поэтому, чтобы избавиться от их регистрации, устанавливают порог дискриминации несколько выше амплитуды импульсов от ГИ.
Второй процесс - падение коэффициента газового усиления под действием ГИ.
Д
Д0
Если порог дискриминации всегда устанавливается не ниже амплитуды импульсов от ГИ, оба этих процесса приводят к уменьшению ССН, т.е. к уменьшению относительной эффективности η (η определяется, как отношение ССН при данном пороге дискриминации U к ССН при пороге дискриминации U в отсутствие гамма-излучения). В первом случае это происходит за счет повышения порога дискриминации, когда не регистрируются нейтронные импульсы, амплитуда которых ниже установленного порога, а во втором - за счет уменьшения амплитуды нейтронных импульсов [В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ.- М.: Энергоатомиздат, 1989, - стр.67], [Дуглас Райлли, Норберт Эсслин, Хэйстингс Смит, мл. и Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов… - стр.382-383], [А.И.Докучаев, ПТЭ, 1959, №6, стр.43].
При реализации рассмотренного способа регистрации нейтронов в присутствии ГИ, применяют различные приемы для защиты от него или уменьшения его отрицательного влияния.
Первый прием - защита от действия ГИ путем экранирования детектора свинцом.
Но он имеет недостатки. Для толстых (более 5 см) свинцовых экранов уменьшение эффективности регистрации нейтронов за счет увеличения расстояния между источником и счетчиком существенно превышает экспоненциальный фактор ослабления. Помимо этого, применение толстых свинцовых экранов нетехнологично, а в некоторых задачах ядерно-физического контроля противоречит условиям их успешного решения [В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. - М.: Энергоатомиздат, 1989, - стр.71]. В подавляющем большинстве случаев экран достаточной толщины нельзя разместить внутри контролируемой среды. Детектор приходится выносить за ее пределы, что, с одной стороны, не всегда возможно, а с другой, - приводит к потере чувствительности даже при использовании отражателя нейтронов. К тому же возможно нарушение избирательности к объекту контроля. Например, при выносе детектора за пределы контролируемой ступени экстракционного аппарата, он начинает регистрировать нейтронное излучение от других, рядом расположенных ступеней.
Второй прием - вместо детекторов нейтронов, обладающих высокой эффективностью, но имеющих низкую помехоустойчивость к ГИ, устанавливают детекторы, менее эффективные, но более помехоустойчивые к ГИ.
Недостаток такого подхода в том, что, хотя он и обеспечивает соблюдение ядерной безопасности за счет регистрации превышения заданных норм, но из-за низкой эффективности детектора часто не позволяет осуществлять текущий контроль за ходом технологического процесса. Это происходит, когда, например, вместо гелиевых счетчиков СНМ-18 используют сопоставимые по длине борные счетчики СНМ-11, помехоустойчивость которых к ГИ в 100 раз выше, но эффективность в 10 раз ниже, чем у СНМ-18. Этот прием не спасает и от возможных залповых выбросов гамма-излучателей. По крайней мере, требуется постоянное параллельное измерение мощности экспозиционной дозы (МЭД) ГИ в месте размещения детектора нейтронов. Это не только удорожает контроль, чаще всего просто невозможно разместить вместе детекторы нейтронов и ГИ.
Д
Дmax
max
Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип изобретения является способ регистрации нейтронов в присутствии гамма-излучения со всеми элементами классического способа и процедурами его осуществления, имеющий ту особенность, что, в условиях непостоянства МЭД ГИ, регистрация нейтронов проводится с постоянным порогом дискриминации, который должен быть несколько выше максимально возможной амплитуды импульсов от ГИ (U>U), соответствующей значению МЭД, выше которой амплитуда импульсов от ГИ перестает возрастать, что позволяет во всех случаях избавиться от ложных импульсов, возникающих за счет гамма-гамма наложений, и обеспечить тем самым регистрацию лишь нейтронных импульсов [А.И.Докучаев, ПТЭ, 1959, №6, стр.43].
max
n
n np
n
n np
n
n np
Этот способ имеет недостатки. Во-первых, снижается относительная эффективность η, даже в тех случаях, когда МЭД ГИ << МЭД. Если при этом ССН остается еще достаточной для определения контролируемого параметра, то снижение η приводит лишь к возрастанию статистической погрешности, поскольку за заданное время будет набираться меньшее количество импульсов. Если же ССН изначально невелика, например, при контроле малых концентраций плутония, то снижение η может привести к недостатку чувствительности по отношению к контролируемому параметру и измерение его станет невозможным. Во-вторых, работа при максимальном пороге дискриминации может привести к нарушениям технологического процесса и ядерной безопасности, возможность которых следуют из рассмотрения следующей ситуации: измерения ППН проводятся при высоких значениях МЭД ГИ (МЭД) но, как правило, не превышающих предельных значений МЭД ГИ (МЭД), установленных техническими условиями на детектор нейтронов; относительная эффективность η достаточна для осуществления контроля и его погрешность за счет колебаний коэффициента газового усиления не превышает допустимой; постоянный контроль за МЭД ГИ в месте расположения детектора нейтронов отсутствует. Измерения возможно проводить до тех пор, пока МЭД не превышает МЭД. Но случаи превышения бывают. Они возникают, например, в конце кампании переработки ОЯТ при постепенном накоплении гамма-излучающих взвесей на границе раздела фаз (водной и органической) в экстракционных аппаратах и при образовании на их дне гамма-излучающих осадков. Не исключаются также и залповые (за время, в десятки раз меньшее, чем время обычного накопления) выбросы гамма-излучателей. Само по себе их появление и накопление не оказывают заметного отрицательного влияния на качество технологического процесса и его безопасность, так как водный и органический растворы в точках размещения детекторов нейтронов остаются "чистыми" (без гамма-излучателей). Но они нарушают работу нейтронных приборов, по которым ведется технологический контроль, - происходит падение коэффициента газового усиления счетчика, вызывая снижение ССН при неизменном значении контролируемого параметра, например, концентрации плутония. Появляется недопустимо высокая систематическая погрешность в сторону занижения, которая тем выше, чем больше превышение МЭД над МЭД. Оператор, пытаясь "восстановить" текущее значение параметра, вызывает отклонение технологического процесса от нормы, не подозревая об этом, что, в свою очередь, может привести не только к браку, но и к опасному нарушению условий, обеспечивающих ядерную безопасность технологического процесса.
Техническими задачами заявляемого способа являются:
- устранение отрицательных последствий, обусловленных действием ГИ, при регистрации нейтронного излучения за счет того, что при каждом измерении устанавливается порог дискриминации, соответствующий текущему значению МЭД ГИ, и учитывается степень падения коэффициента газового усиления под действием ГИ;
- расширение области применения детекторов нейтронов как путем использования их при значениях МЭД ГИ, значительно превышающих предельно допустимые, так и для измерений МЭД ГИ самими детекторами нейтронов.
Поставленные задачи решаются следующим способом.
γ
γ
γ
Iγ
I0
γ
Проводят измерения постоянного тока I, возникающего в детекторе нейтронов под действием ГИ. Значения этого тока при предварительной градуировке сопоставляют с независимо измеренными значениями МЭД ГИ, определяют степень деформации интегральных спектров импульсов детектора, вызываемой ГИ, и находят соответствующие зависимости, которые подробно рассмотрены ниже. Эти зависимости позволяют в дальнейшем, в ходе проведения текущих измерений, выбирать оптимальный режим регистрации нейтронных импульсов по результатам измерений тока I и приводить полученную в условиях воздействия ГИ (I>0) скорость счета нейтронов N, к значению скорости счета N, имеющую место в отсутствие ГИ (I=0).
γ
Iγ
I0
γ
γ
Таким образом, постоянно измеряемый ток I становится единственно правильным критерием количественной оценки отрицательного воздействия ГИ на эффективность регистрации нейтронов, т.е. степени ее снижения, происходящей за счет увеличения порога дискриминации (для отсечки импульсов от гамма-гамма наложений) и снижения коэффициента газового усиления, вызывающего деформацию интегрального спектра нейтронных импульсов. А количественная оценка позволяет, в свою очередь, компенсировать снижение эффективности путем восстановления исходного интегрального спектра, т.е. приводить, как сказано выше, зарегистрированную скорость счета N к значению N и, как свидетельствуют опыты, применять детекторы нейтронов при МЭД ГИ, в десятки раз превышающих предельно допустимые значения, установленные для каждого типа детектора. Кроме того, только измерения тока I позволяют обеспечить полную автоматизацию измерений, а также в любой точке нейтронного контроля получать информацию о другом важном технологическом параметре - мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, используя зависимость I=f (МЭД ГИ).
γ
Ток I можно определять, измеряя, например, падение напряжения на резисторе R, показанном на фиг.1.
B
П
K
γ
Авторами экспериментально установлено, что наивысшей чувствительностью по току к ГИ счетчик обладает при напряжении питания U, более высоком, чем для пропорционального режима U, и меньшем, чем напряжение зажигания коронного разряда U. При этом напряжении начальный ток в отсутствие ГИ остается мало значимым и им можно либо пренебречь, либо принять его за точку отсчета, а ток I значительно выше (у счетчиков СНМ-16 и СИМ-18 в четыре раза), чем в пропорциональном режиме.
γ
B
П
П
B
K
γ
γ
Д
γ
K
П
γ
γ
Поэтому в предлагаемом способе, для обеспечения максимальной эффективности, как при регистрации ССН, так и тока I предлагается использовать тактовую процедуру измерений. В первом такте устанавливается напряжение питания счетчика U<U, при котором ток от воздействия ГИ пренебрежимо мал, и настраивали "нуль" схемы измерения тока. Во втором такте устанавливается напряжение питания счетчика U<U<U, при котором обеспечивается максимальная эффективность регистрации тока I, и производится его измерение. По найденной при предварительной градуировке зависимости порога дискриминации от тока I, U=f(I), определяется и фиксируется его значение. В третьем такте устанавливается напряжение питания счетчика (U - для коронного или U - для пропорционального режимов), при котором следует регистрировать нейтронное излучение, измеряется ССН и осуществляется корректировка ее значения по найденной при предварительной градуировке зависимости относительной эффективности от тока I, η=f(I). При необходимости могут быть введены дополнительные такты с другими режимами работы, например, для осуществления диагностики регистрирующей аппаратуры по нерабочей ветви интегрального спектра импульсов.
Упомянутые зависимости получены авторами для гелиевых счетчиков СНМ-16 и СНМ-18. Поскольку принципиально они друг от друга не отличаются (с учетом различия между самими счетчиками), то приводятся данные только по СНМ-16.
γ
На фиг.2 приведена функциональная блок-схема классического способа регистрации ППН с включенной в нее схемой измерения тока I, выполненной на основе дифференциального операционного усилителя.
γ
П
B
K
γ
На фиг.3 приведена зависимость I=f (МЭД ГИ), полученная при U<U<U. Эта зависимость, после обращения ее к виду МЭД ГИ=f(I), позволяет определять МЭД ГИ.
γ
γ
γ
На фиг.4 представлены интегральные спектры импульсов (дискриминационные характеристики), полученные в смешанных полях нейтронного и гамма излучений в режиме стабильного коронного разряда. Данные измерений в отсутствие нейтронного источника при различных МЭД ГИ и соответствующих им значениях тока I (нерабочие ветви - шумы короны и гамма-гамма наложений) показаны пунктиром. Данные измерений с нейтронным источником при постоянной плотности потока нейтронов и различных значениях I (МЭД ГИ) показаны сплошными линиями. Характеристики наглядно отображают рассмотренный выше механизм действия ГИ: рост шумов от гамма-гамма наложений, сопровождающийся сдвигом нерабочей ветви и вызывающий необходимость увеличения порога дискриминации, достижение их максимума, а затем спад (обратный сдвиг нерабочей ветви) при повышенных значениях I (МЭД ГИ); деформацию рабочих ветвей интегральных спектров за счет падения коэффициента газового усиления.
γ
Ш
i
Дi
Д0
γ
Дi
Д0
Ш
γi
γ
-1
-1
Пороги дискриминации для каждого значения I (МЭД ГИ) находили при скорости счета шумов (нерабочая ветвь, экстраполированная на ось дискриминации) N=1 с. Степень сдвига нерабочей ветви (уровня шумов короны и гамма-гамма наложений), построена в виде зависимости К=U/U=f(I), приведенной на фиг.5, где U и U - пороги дискриминации для N=1 с соответственно при различных значениях I (МЭД ГИ) и в отсутствие I (МЭДГИ).
Дi
Дi
Дi
0
γ
i
Дi
Д0
γ
B
П
B
γi
П
B
K
B
Дi
i
Д0
K
γi
При всех порогах дискриминации U по интегральным спектрам фиг.4 находили значения ССН - N и строили график изменения относительной эффективности счетчика под действием ГИ в виде зависимости и η=N/N=f(I). Этот график приведен на фиг.6. Он получен при использовании зависимости К=U/U=f(I) и рассмотренной выше тактовой процедуры работы: установки "нуля" схемы измерения тока при U<U, в данном случае U=1300 В; измерения тока I при напряжении питания счетчика U<U<U, в данном случае U=1740 В, определения и фиксирования порога дискриминации U=K·U; фиксирования напряжения питания счетчика для измерения ССН, в данном случае U=2000 В, и определения ССН. Важно отметить, что время установки "нуля" и измерения тока I не превышает 10 с и практически не оказывает влияния на статистическую погрешность определения ССН, так как занимает не более 10% от общего времени измерения, которое, в зависимости значений ССН, колеблется в пределах от 100 до 1000 с.
Дi
0
γ
γ
-6
Зависимость η=N/N=f(I) на фиг.6 свидетельствует о возможности использования счетчика при МЭД ГИ, значительно превышающей предельно допустимое значение. Работоспособность счетчика расширяется, по крайней мере, до 1000 Р/ч (в 20 раз выше установленного для счетчика СНМ-16 предельного значения - 50 Р/ч), несмотря на снижение эффективности, поскольку это снижение может быть скомпенсировано. Например, при МЭД ГИ, равной 1000 Р/ч, ток I=1,2·10 А (зависимость на фиг.3) и
Дi
N
Дi
0
0
Дi
-1
-1
N=68 с (ССН на фиг.4). Согласно графику на фиг.6, K=N/N=0,38, т.е. ССН при МЭД ГИ, равной = 1000 Р/ч, в 2,6 ниже по сравнению с максимально возможной (исходной), имеющей место в отсутствие гамма-излучения. Отсюда получаем исходную скорость счета нейтронов N=2,6·N=177 с. Таким образом реализуется максимально возможная эффективность детектора при данной плотности потока нейтронов. Естественно, чтобы не увеличилась статистическая погрешность, необходимо пропорционально, т.е. в 2,6 раза, увеличить время измерения (набора суммарного количества импульсов).