УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ

Полезная модель относится к области измерения ионизирующих излучений, в частности к средствам дозиметрического и радиометрического контроля, включающего определение мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов. Полезная модель может быть применена при работе персонала с источниками нейтронов или обслуживании ядерных энергетических установок на атомных электростанциях, для оснащения объектов использования атомной энергии, в том числе на подвижных объектах с ядерными энергетическими установками.
3
При обслуживании ядерных энергетических установок энергетический спектр нейтронов, прошедших защиту, сдвигается в сторону меньших энергий, и в нем присутствуют как тепловые, так и промежуточные и быстрые нейтроны. Поэтому, безусловно, важно измерять мощность амбиентного эквивалента дозы в широком диапазоне энергий нейтронов (от тепловых до быстрых) с минимальной погрешностью. Также, при современном уровне требований к безопасности работы обслуживающего персонала, возникает необходимость уменьшения нижнего предела диапазона измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов до 0,1 мкв/ч, что соответствует естественному радиационному фону. Таким образом, устройство детектирования дозиметра нейтронов должно обладать высокой чувствительностью и широким энергетическим диапазоном измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов. В наибольшей мере указанным требованиям удовлетворяют устройства детектирования, выполненные на основе водородосодержащего замедлителя и одного или нескольких детекторов тепловых нейтронов.
Известно устройство детектирования (RU 2222818 C1, G01T 3/00, 2002 г.), предназначенное для измерений спектральных распределений нейтронов в диапазоне энергий нейтронов от тепловых до быстрых. Устройство содержит единый блок цилиндрической формы, состоящий из замедлителя нейтронов и группы детекторов тепловых нейтронов, а также счетчики электрических сигналов от каждой группы детекторов. Каждая группа детекторов расположена внутри блока замедлителя на расстоянии от фронтальной поверхности, равном средней длине замедления нейтронов данной регистрируемой энергетической группы.
Энергетические распределения нейтронного излучения определяются после математической обработки показаний групп детекторов. Недостатком известного устройства детектирования дозиметра нейтронов является значительная анизотропия чувствительности, обусловленная цилиндрической формой замедлителя, что ограничивает его область применения проведением измерений потоков нейтронов с узкой диаграммой направленности.
Известно устройство детектирования нейтронов (Hankins D.E. А neutron monitoring Instrument having a response approximately proportional to the dose rate from thermal to 7.0 MeV. LA - 2717, 1962), используемое для прямого измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов. Указанное устройство детектирования дозиметра нейтронов состоит из сферического замедлителя диаметром 254 мм, выполненного из водородосодержащего материала, и сцинтилляционного детектора тепловых нейтронов на основе кристалла йодистого натрия размером ∅8 × 4 мм, активированного европием с обогащением изотопом литий-6, соединенного посредством световода с фотоумножителем. Причем кристалл сцинтилляционного детектора расположен в центре сферического замедлителя. В известном устройстве детектирования дозиметра нейтронов мощность амбиентного эквивалента дозы нейтронов полагается пропорциональной частоте сигналов сцинтилляционного детектора и поэтому энергетическая зависимость известного устройства определяется его конструктивным выполнением и не может быть скорректирована последующей математической обработкой. Однако в таком случае энергетическая зависимость чувствительности устройства должна быть максимально приближенной к регламентированной зависимости, приведенной в ГОСТ 25935-83. Для известного устройства отклонение энергетической зависимости чувствительность относительно регламентированной зависимости, приведенной в ГОСТ 25935-83, составляет для промежуточных нейтронов до 3 раз (при градуировке по быстрым нейтронам), что приводит к увеличению максимального значения энергетической зависимости измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов до +200%.
Недостатком известного устройства детектирования нейтронов является значительная дополнительная погрешность измерения мощности амбиентного эквивалента дозы при измерении энергии нейтронов в широком диапазоне от тепловых до быстрых.
Наиболее близким к предложенной полезной модели является устройство детектирования нейтронов (Куликов И.С, Бойко А.В., Киреев В.П., Коваленко В.Г., Петров В.И. «Восстановление энергетического спектра потока нейтронного излучения с помощью прибора ПДГН-06», Ядерная физика и инжиниринг, 2015, том 6, №9-10, с. 476-481). Устройство содержит выполненный из водородосодержащего материала замедлитель, имеющий форму тела вращения, и группу расположенных на разной глубине в замедлителе детекторов тепловых нейтронов, снабженных средствами связи с узлом электроники. Локализация чувствительных объемов детекторов достигается экранировкой частей детекторов борированным полиэтиленом. Благодаря расположению на разной глубине в замедлителе разные детекторы имеют наибольшую чувствительность к нейтронам разных энергий, образуя измерительные каналы тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов. Однако в известном устройстве детекторы теплового измерительного канала имеют чувствительность к тепловым нейтронам всего в 3 раза большую, чем к быстрым нейтронам, и еще меньшую разницу по отношению к промежуточным нейтронам. В результате погрешность измерения энергетических распределений нейтронов оказывается достаточно высокой.
Недостатком известного устройства детектирования нейтронов является значительная дополнительная погрешность измерения мощности амбиентного эквивалента дозы при изменении энергии нейтронов в широком диапазоне, обусловленная недостаточной избирательностью детекторов теплового измерительного канала к тепловым нейтронам относительно промежуточных и быстрых нейтронов.
Задачей, решаемой данной полезной моделью, является уменьшение дополнительной погрешности измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов при изменении их энергии в широком диапазоне.
Техническим результатом данной полезной модели является уменьшение дополнительной погрешности измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов в диапазоне энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ за счет увеличения разницы энергетических зависимостей чувствительностей измерительного канала тепловых нейтронов относительно измерительных каналов промежуточных и быстрых нейтронов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство детектирования нейтронов содержит выполненный из водородосодержащего материала замедлитель нейтронов в форме тела вращения, окруженный прилегающим к поверхности экраном, выполненным из захватывающего тепловые нейтроны материала, и детекторы тепловых нейтронов. Один детектор расположен в центре замедлителя, по меньшей мере, два детектора расположены в теле замедлителя между центром и поверхностью с равным угловым промежутком между ними, и, по меньшей мере, два детектора расположены на поверхности окружающего замедлитель экрана через равные угловые промежутки между детекторами.
Замедлитель выполнен в форме цилиндра.
Замедлитель выполнен в форме сферы.
Экран выполнен сплошным.
В экране выполнены окна.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство детектирования дозиметра нейтронов с замедлителем в форме шара и экраном с окнами.
На фиг. 2 представлен график экспериментально полученных энергетических зависимостей.
Полезная модель может быть осуществлена следующим образом.
Устройство детектирования нейтронов содержит выполненный из водородосодержащего материала замедлитель 1 нейтронов, группу детекторов тепловых нейтронов (в дальнейшем- детекторы) и охватывающий замедлитель экран 2 прилегающий к поверхности замедлителя, выполненный из захватывающего тепловые нейтроны материала. Замедлитель 1 имеет форму тела вращения, в частности цилиндра или шара. Экран 2 эквидистантен поверхности замедлителя. Устройство снабжено, по меньшей мере, пятью детекторами. В качестве примера выполнения, один детектор 3 расположен в центре замедлителя, по меньшей мере, два детектора 4 расположены в теле замедлителя по разные стороны от его центра и между центром и поверхностью, и, по меньшей мере, два детектора 5 расположены снаружи экрана 2, на его поверхности, по разные стороны от центра замедлителя. При большем количестве детекторов, размещенных внутри замедлителя, независимо от количества детекторов, их располагают с равным угловым промежутком друг от друга. При большем количестве детекторов, размещенных снаружи замедлителя, независимо от количества детекторов, их располагают с равным угловым промежутком друг от друга. При наличии, например, трех детекторов 3 или детекторов 4, они будут расположены с угловым промежутком в 120°. Детекторы снабжены средствами связи с узлом электроники для передачи на него сигналов для последующей обработки. В качестве водородосодержащего материала замедлителя 1 может быть применен полиэтилен. Экран 2 выполнен, например, из борированного полиэтилена или из кадмия. Экран 2 выполняют сплошным, полностью охватывающим замедлитель. Или экран выполняют с окнами, представляющими собой отверстия, беспрепятственно пропускающими тепловые нейтроны. При этом степень ослабления потока тепловых нейтронов экраном 2 определяют для сплошного экрана выбором его толщины, для экрана с окнами - отношением общей площади экрана к общей площади окон.
Устройство детектирования нейтронов работает следующим образом. Тепловая часть потока нейтронов, достигая устройства детектирования дозиметра нейтронов, с наибольшей эффективностью регистрируется тем из двух детекторов 5, который расположен со стороны потока нейтронов. Часть тепловых нейтронов захватывается экраном 2 и замедлителем 1, а оставшиеся нейтроны достигают детекторов 3 и 4, а также второго детектора 5, расположенного с противоположной стороны замедлителя 1. В результате чувствительность к тепловым нейтронам максимальна у того из детекторов 5, который расположен со стороны направления движения нейтронов и минимальна у остальных детекторов. Промежуточные и быстрые нейтроны беспрепятственно проходят через экран 2 и попадают в замедлитель 1. При каждом соударении с ядрами атомов материала замедлителя 1 нейтроны теряют часть своей энергии. При этом средняя длина замедления до тепловых энергий для промежуточных нейтронов меньше, чем для быстрых, и соответствует расстоянию от каждого из детекторов 4 до ближайшей части поверхности замедлителя 1. Для детектора 3 расстояние от центра до поверхности замедлителя 1 соответствует средней длине замедления до тепловых энергий быстрых нейтронов. Экран 2 не оказывает влияния на прохождение промежуточных и быстрых нейтронов в замедлитель 1, но при замедлении их до тепловых энергий захватывает часть этих тепловых нейтронов при выходе их из замедлителя 1, уменьшая чувствительность к промежуточным и быстрым нейтронам детекторов 5. Таким образом, детекторы 3, 4 и 5 по функциональному назначению разделены на 3 измерительные канала, соответственно: быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Измерительный канал тепловых нейтронов обладает значительно большей чувствительностью к тепловым нейтронам, чем к промежуточным и быстрым. Чувствительность к тепловым нейтронам измерительных каналов промежуточных и быстрых нейтронов значительно меньше, чем к промежуточным и быстрым нейтронам и, в свою очередь, значительно меньше, чем чувствительность к тепловым нейтронам измерительного канала тепловых нейтронов. Измерительный канал промежуточных нейтронов имеет максимальное значение чувствительности к промежуточным нейтронам, а измерительный канал быстрых нейтронов - к быстрым нейтронам. Экспериментально установлено, что все 3 измерительных канала обладаютдостаточной избирательностью относительно друг друга, что при последующей математической обработке дает возможность построить энергетическое распределение нейтронов и определить мощность амбиентного эквивалента дозы в широком энергетическом диапазоне нейтронов.
3
На основе предлагаемого устройства детектирования нейтронов изготовлен опытный образец дозиметра, измеряющего мощность амбиентного эквивалента дозы в диапазоне от 0,1 мкв/ч до 0,1 Зв/ч и в энергетическом диапазоне от 0,025 эВ до 14 МэВ с сферическим замедлителем из полиэтилена, пятью детекторами, в качестве которых использовались счетчики СНК-18/60, экраном из кадмия, с окнами, общая площадь которых была равна половине общей площади экрана, что соответствует ослаблению потока тепловых нейтронов в 2 раза. Сигналы от детекторов поступали на устройство электроники, обработка информации в котором осуществлялась с помощью микроконтроллера.
На измерительном комплексе в НИЦ "Курчатовский институт" было проведено экспериментальное исследование предлагаемого устройства детектирования нейтронов и прототипа (блока детектирования дозиметра-радиометра ПДГН-06). Экспериментально полученные в диапазоне энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ энергетические зависимости чувствительностей измерительных каналов тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов обоих устройств приведены на фиг.2 (зависимости приведены для изотропного потока нейтронов и значения чувствительности измерительного канала быстрых нейтронов умножены на 4). Причем энергетические зависимости чувствительностей измерительных каналов промежуточных и быстрых нейтронов приведены только для предлагаемого устройства детектирования нейтронов, поскольку они незначительно отличаются от аналогичных зависимостей прототипа. Энергетическая зависимость чувствительности измерительного канала тепловых нейтронов предлагаемого устройства детектирования нейтронов приведена сплошной линией, а прототипа - пунктирной. Как видно из фиг. 2, измерительный канал тепловых нейтронов предлагаемого устройства детектирования нейтронов обладает в 2 раза большей чувствительностью к тепловым нейтронам и в 2 раза меньшей чувствительностью к промежуточным и быстрым нейтронам по сравнению с измерительным каналом тепловых нейтронов прототипа.
Для определения плотности потоков нейтронов был выбран метод минимизации направленных расхождений (Тараско М.З. Метод минимизации направленных расхождений в задачах поиска распределений. 1983. Препринт ФЭИ. №1446. Обнинск). На его основе составлен алгоритм обработки показаний измерительных каналов, написана программа для микроконтроллера устройства электроники, которая по значениям частот сигналов детекторов и их энергетическим зависимостям чувствительностей определяет энергетические распределения плотности потоков нейтронов и по ним - мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов. По результатам обработки частот сигналов детекторов на основе моделирования на персональном компьютере программы для микроконтроллера устройства электроники были определены энергетические зависимости и дополнительные погрешности измерений мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов в диапазоне энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ предлагаемым устройством детектирования дозиметра нейтронов и его прототипом - блоком детектирования дозиметра - радиометра ПДГН-06. Для прототипа (блока детектирования дозиметра - радиометра ПДГН-06) дополнительная погрешность измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов при изменении энергии нейтронов в заданном диапазоне находится в пределах от минус 20% до +57%. Для предлагаемого устройства детектирования нейтронов с окнами, общая площадь которых равна половине общей площади экрана, дополнительная погрешность измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов при изменении энергии нейтронов в заданном диапазоне находится в пределах от минус 13% до +25%.
Таким образом, программное моделирование работы предлагаемого устройства детектирования дозиметра нейтронов и прототипа (блока детектирования дозиметра-радиометра ПДГН-06) показало, что предлагаемое устройство детектирования нейтронов дает возможность уменьшить в 2 раза дополнительную погрешность измерения мощности амбиентного эквивалента дозы нейтронов в диапазоне энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ.