НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР С ТВЕРДЫМИ И ЖИДКИМИ ЗАМЕДЛИТЕЛЯМИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОНОВ В РАЗЛИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДИАПАЗОНАХ
NEUTRON DETECTOR WITH SOLID AND LIQUID MODERATORS FOR MEASURING NEUTRONS IN VARIOUS ENERGY RANGES

Область техники
Настоящее изобретение относится к детектору, задача которого заключается в том, чтобы обеспечить переменный слой твердых и жидких замедлителей и, следовательно, измерять нейтронное излучение в различных энергетических диапазонах посредством программирования перед измерением или удаленного управления в процессе измерения.
Уровень техники
Основная задача нейтронных детекторов представляет собой уменьшение энергии нейтронов, принимаемых детектором, посредством осуществления рассеяния. В таком случае решение представляет собой необходимость замедления нейтронов до низкого энергетического уровня, так называемого теплового энергетического уровня, чтобы обеспечить их захват. В противном случае нейтроны, энергия которых не будет снижена до данного уровня, не будут захвачены и выйдут из детектора без захвата, и, следовательно, пользователь не может измерять указанные нейтроны в среде. Для этой цели материалы, называемые замедлителями, используются в наружном слое нейтронных детекторов. Нейтрон в среде сначала проходит через этот материал и после потери своей энергии поступает в главную детекторную трубку.
Требуемая интенсивность взаимодействия нейтрона для уменьшения его энергии до теплового энергетического уровня, который представляет собой измеряемый уровень, варьируется в зависимости от величины его исходной энергии. Поскольку нейтрон, который имеет высокую энергию, осуществляет рассеяние в большей степени, следовательно, его энергия может уменьшаться до теплового энергетического уровня, по сравнению с нейтроном, имеющим меньшее количество энергии. Для высокоэнергетических нейтронов требуется замедление посредством слоя замедлителя большей толщины.
В разнообразных приложениях, таких как ускорители частиц, применение которых постепенно становится все более распространенным, а также атомные электростанции, производится вторичное нейтронное излучение в широком энергетическом диапазоне. В этом контексте известно, что измерения, осуществляемые посредством применения детекторов, содержащих толстый слой единственного и неподвижного замедлителя, оказываются непригодными для счета большинства указанных нейтронов.
В большинстве нейтронных детекторов, которые в настоящее время находят промышленное применение, оказываются предпочтительными замедлители фиксированного размера или наборы замедлителей, имеющие различные толщины. В таких случаях нейтроны, которые не имеют достаточную энергию, чтобы проходить через слой замедлителя, оказываются неспособными поступать в главную детекторную трубку, в которой должно быть осуществлено измерение. Даже несмотря на то, что они могут проходить через слой замедлителя, нейтроны, которые имеют высокую энергию и не замедляются до измеримого энергетического уровня, выходят из детекторной трубки без захвата.
На предшествующем уровне техники находит применение нейтронный детектор модели FHT 762 Wendi-2, который поставляет компания Thermofisher. В указанном детекторе в качестве замедлителя используется твердый материал, имеющий толщину стенки 22 см. При таком конструкционном подходе с учетом вышеупомянутого описания детектор имеет низкую чувствительность.
Другой нейтронный детектор, который находит применение на предшествующем уровне техники, представляет собой нейтронный зонд Microspec от компании Bubble Technology Industries. В этой конструкции используются два детектора, которые имеют различные толщины замедлителя, чтобы увеличивать энергетический диапазон измерения. В этом случае повышается степень чувствительности измерения детектора, однако при этом все же оказывается невозможным измерение в широком энергетическом диапазоне.
Другие конструкции, которые находят промышленное применение и удовлетворяют требованиям к детекторам, имеющим различные толщины замедлителей, представляют собой детекторы, в которых толщина замедлителя может изменяться посредством применения множества детекторов, окруженных замедлителями, имеющими различные толщины, или эти изменения могут быть осуществлено пользователями в ручном режиме.
Другие спектрометры, используемые на предшествующем уровне техники, представляют собой сферический спектрометр Bonner от компании Else Nuclear и нейтронный спектрометр Nested от компании Detec. Если рассмотреть помещение, которое они занимают, их массы и трудности в эксплуатации, становится очевидным, что было бы непрактичным осуществлять измерений нейтронов с применением указанных детекторов. В случае нейтронного спектрометра Nested пользователь должен входить в облучаемое помещение и заменять замедлитель после каждого измерения. В этом случае продолжительность измерения должна быть увеличена, чтобы можно было осуществлять измерения в широком энергетическом диапазоне. Кроме того, поскольку уровень излучения в облучаемом помещении не снижается резко до нуля немедленно после завершения процесса облучения, вход в облучаемое помещение оказывается несоответствующим в отношении радиационной безопасности.
Другой спектрометр, используемый на предшествующем уровне техники, представляет собой вращающийся нейтронный спектрометр, который производит компания Bubble Technology Industries. Эта конструкция осуществлена посредством расположения семи индивидуальных детекторов с различными толщинами замедлителя во вращающейся системе. Хотя по сравнению с другими конструкциями эта конструкция оказывается более успешной, поскольку она может осуществлять измерение в тепловом энергетическом диапазоне до 4,5 МэВ, такой энергетический диапазон все же оказывается недостаточным для большинства приложений, в которых образуются вторичные нейтроны. Кроме того, данная система не может обеспечивать разнообразие в соответствии с требованиями пользователей. В течение процесса вращения разрешение измерений будет снижаться в зависимости от детекторов, находящихся в различных облучаемых зонах первичной зоны облучения.
Другое изобретение, известное из предшествующего уровня техники, представляет собой патентный документ под номером US 20180224565. При анализе указанного патентного документа можно видеть, что поставленная задача заключается в том, чтобы предложить слой замедлителя различной толщины посредством применения жидкого замедлителя. Этот вариант осуществления достигается посредством заполнения емкостей, расположенных в детекторе, которые представлены в сферической форме, с введением жидкости из резервуара. При анализе описания данного изобретения становится очевидным, что эта конструкция не соответствует установленным требованиям предотвращения гамма-излучения в среде. Согласно большинству вариантов осуществления, в которых происходит образование нейтронов, также присутствует высокоинтенсивное гамма-излучение. Чтобы позволить детектору эффективно осуществлять измерение нейтронов, гамма-излучение должно быть отфильтровано. Согласно этому патентному документу можно понять, что детекторный контейнер имеет сферическую геометрическую форму. Поскольку движение с такой сферической геометрической формой было бы невозможным, камеры, которые заполнят жидкий замедлитель, изготовлены из такого материала, как алюминий или свинец, и занимают фиксированное положение по отношению к детектору. В данном отношении, даже если жидкий замедлитель вытекает, когда остается достаточное количество прикрепленных слоев вокруг детекторной трубки, можно понять, что данная конструкция оказывается неприменимой для измерения низкоэнергетических нейтронов.
Наиболее важный признак конструкции согласно настоящему изобретению заключается в том, что пользователь может регулировать зависимые от времени изменения, такие как расположение твердых замедлителей, и стадию заполнения жидкостью камер. В различных средах нейтронного излучения, когда требуются различные параметры, конструкция должна быть выполнена с возможностью регулирования.
Сущность и цель настоящего изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать нейтронный детектор, который способен осуществлять измерение на высоких уровнях чувствительности в широком энергетическом диапазоне с применением новой логики проектирования, которая совершенно отличается от приборов для наблюдения нейтронов, используемых в промышленности в настоящее время.
Было предложено обеспечить, чтобы твердые и жидкие замедлители, которые имеют переменную толщину, находили применение в одной конструкции вместо единственного твердого замедлителя, который является неприменимым для изменения толщины. Вследствие своей конструкции с переменными замедлителями, такой детектор позволяет пользователю осуществлять измерение при различных толщинах замедлителя при однократном облучении посредством предварительного программирования или удаленного управления в течение измерения.
Таким образом, предложен нейтронный детектор, который способен осуществлять точные измерения, преодолевает ограничения измерения в низкоэнергетическом диапазоне и позволяет пользователю осуществлять измерения на энергетических уровнях, определяемый детектором. Другой важный и значительный признак детектора заключается в том, чтобы допустить применение различных твердых и жидких замедлителей в детекторе в научных исследованиях и разработках.
В нейтронном детекторе с твердыми и жидкими замедлителями пользователь может регулировать зависимые от времени изменения, в том числе расположение твердых замедлителей, а также стадию заполнения жидкостью камер. В различных зонах нейтронного излучения, когда требуются различные параметры, конструкция должна быть выполнена с возможностью регулирования.
Краткое описание чертежей
Далее представлены фигуры и соответствующие описания, используемые в целях лучшего раскрытия нейтронного детектора с твердыми и жидкими замедлителями, который был разработан согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 представлено перспективное изображение нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 представлено боковое изображение нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 представлено изображение сверху нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 представлена блок-схема электронной конструкции нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 представлено изображение в разрезе нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6 представлено перспективное изображение сверху нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 представлено боковое изображение нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 8 представлено боковое перспективное изображение нейтронного детектора согласно настоящему изобретению.
Определения условных обозначений на фигурах
В целях лучшего раскрытия нейтронного детектора с твердыми и жидкими замедлителями, который был разработан согласно настоящему изобретению, элементы и детали, представленные на фигурах, пронумерованы, причем каждый номер имеет соответствующее определение, приведенное ниже.
1. Камера для движения твердого замедлителя
2. Детекторная измерительная камера
3. Содержащая жидкий замедлитель камера
4. Детектор
5. Рычаг для движения твердого замедлителя
6. Траектория движения жидкого замедлителя
7. Твердый замедлитель
8. Отверстия для перемещения жидкого замедлителя
9. Вольфрамовая оболочка
10. Скользящие зазоры
11. Кабель, присоединяющий детектор к сигнальному процессорному устройству
12. Кабель, присоединяющий сигнальное процессорное устройство к внешнему процессорному устройству
13. Сигнальное процессорное устройство
14. Внешнее процессорное устройство
15. Приводное устройство
16. Сенсорное устройство
17. Управляющее устройство жидкостного резервуара
18. Управляющее устройство цепей электропитания
19. Запоминающее устройство
20. Предупреждающее устройство
21. Устройство считывания данных о состоянии
Подробное описание настоящего изобретения
Настоящее изобретение представляет собой нейтронный детектор, который выполнен с возможностью измерения нейтронов в различных энергетических диапазонах, согласно настоящему изобретению, причем в указанном детекторе присутствуют:
• камера (1) для движения твердого замедлителя, содержащая твердые замедлители (7), причем твердые замедлители могут двигаться по вертикальной оси,
• рычаг (5) для движения твердого замедлителя, который позволяет твердым замедлителям (7) двигаться по вертикальной оси в камере (1) для движения твердого замедлителя,
• детектор (4), который измеряет нейтроны,
• детекторная измерительная камера (2), в которой расположен детектор (4),
• содержащая жидкий замедлитель камера (3), в которой содержится жидкий замедлитель,
• траектория движения (6) жидкого замедлителя, которая присоединена к содержащей жидкий замедлитель камере (3), через которую проходит жидкий замедлитель,
• отверстия (8) для перемещения жидкого замедлителя, которые расположены на потолке содержащей жидкий замедлитель камеры (3),
• оболочка (9), которая предотвращает гамма-излучение в среде, окружая детектор (4),
• скользящие зазоры (10), которые расположены на твердом замедлителе (7), через которые при движении могут проходить фиксирующие твердый замедлитель концы, расположенные на рычаге (5) для движения твердого замедлителя, и
• электронное управляющее устройство.
Твердые замедлители (7) изготовлены из полиэтиленового или высокоплотного полиэтиленового материала, с которым соединены цилиндры, имеющие толщину стенки 1 см, и присоединены к рычагу (5) для движения твердого замедлителя. Твердые замедлители (7) движутся в скользящих зазорах (10) для твердого замедлителя в результате движения рычага (5) для движения твердого замедлителя по вертикальной оси. После того, как твердый замедлитель (7) помещается в детекторную измерительную камеру (2), рычаг (5) для движения твердого замедлителя высвобождает твердый замедлитель (7), определенный пользователем, посредством вращения под определенным углом по отношению к горизонтальной оси. После завершения процесса рычаг (5) для движения твердого замедлителя возвращается в камеру (1) для движения твердого замедлителя.
3
3
Детектор (4), содержащий газообразный BF или Не, фиксирован в центре детекторной измерительной камеры (2). Информационный кабель, присоединенный к детектору (11), соединяется с сигнальным процессорным устройством (13) посредством выдвижения из зазора в рычаге (5) для движения твердого замедлителя. Детектор (4) покрывает полая цилиндрическая оболочка (9), изготовленная из вольфрамового материала и имеющая стенки толщиной 1 см, чтобы защитить детектор (4) от гамма-излучения в среде.
В тех случаях, когда измерение не осуществляется, часть, остающаяся за пределами детекторной измерительной камеры (2) снаружи детектора (4) и вольфрамовой оболочки (9), называется зазором.
Содержащая жидкий замедлитель камера (3) представляет собой емкость, в которой содержится жидкость, предназначенная для применения в качестве замедлителя. Траектория (6) движения жидкого замедлителя прикреплена к содержащей жидкий замедлитель камере, и жидкость загружается и выгружается через эту траекторию. Когда это необходимо, траектория (6) движения жидкого замедлителя перемещается по вертикальной оси, и, таким образом, жидкость можно подавать для заполнения соответствующих зазоров в детекторной измерительной камере (2). Отверстия (8) для перемещения жидкого замедлителя присутствуют в потолке содержащей жидкий замедлитель камеры (3). Отверстия (8) для перемещения жидкого замедлителя своим действием позволяют жидкости, которая содержится в содержащей жидкий замедлитель камере (3), проходить в детекторную измерительную камеру (2). Всеми из указанных отверстий управляет пользователь с применением электронного управляющего устройства, и прохождение жидкого замедлителя допускается из отверстий, которые должны быть заполнены жидким замедлителем, согласно зоне между твердыми замедлителями (7), которая предназначена для заполнения.
В научных исследованиях и разработках могут быть получены различные конфигурации детекторов, поскольку жидкость, предназначенная для использования в качестве замедлителе в детекторе, может быть загружена и выгружена с применением траектория (6) движения жидкого замедлителя, и твердые замедлители (7) могут быть установлены и удалены с рычага (5) для движения твердого замедлителя. Таким образом, пользователю предоставлена возможность усовершенствования детектора.
Нейтронный детектор состоит из нескольких компонентов и множества различных электронных устройств, которые были стандартизированы для ядерного приборного оборудования. Они представляют собой сигнальное процессорное устройство (13), внешнее процессорное устройство (14), приводное устройство (15), сенсорное устройство (16), управляющее устройство (17) жидкостного резервуара, управляющее устройство (18) цепей электропитания, запоминающее устройство (19), предупреждающее устройство (20) и устройство (21) считывания данных о состоянии. На фиг. 4 представлена блок-схема электронного управляющего устройства нейтронного детектора. Электронное управляющее устройство состоит из компонентов, которые подробно описаны ниже.
Сигнальное процессорное устройство (13)
Сигнальное процессорное устройство (13) нейтронного детектора выполняет функцию мозга системы. Сигнальное процессорное устройство (13) осуществляет все действия, которые должна осуществлять система, а также обеспечивает сообщение между другими компонентами в электронном управляющем устройстве.
Приводное устройство (15)
Регулирование движения слоев замедлителя в нейтронном детекторе осуществляется посредством двигателя постоянного тока.
Сенсорное устройство (16)
Поскольку нейтронный детектор работает в зоне излучения, должны быть получены данные о состоянии, такие как температура, влажность, давление. Считывание указанных данных осуществляется в сенсорном устройстве.
Управляющее устройство (17) жидкостного резервуара
Содержащая жидкий замедлитель камера (3) расположена в нижней части нейтронного детектора. Указанная камера должна регулироваться для защиты детектора от любого повреждения, которое может происходить в результате утечки жидкости. Жидкость, которая содержится в содержащей жидкий замедлитель камере (3), постоянно регулируется посредством управляющего устройства (17) жидкостного резервуара.
Управляющее устройство (18) цепей электропитания
Управляющее устройство цепей электропитания позволяет подавать энергию в электронные компоненты и регулирует силу тока, которую потребляют электронные устройства.
Запоминающее устройство (19)
Запоминающее устройство (19) нейтронного детектора сохраняет полученные и обработанные данные. Таким образом, существует возможность резервирования данных. Предупреждающее устройство (20)
Предупреждающее устройство (20) осуществляет предупреждение об активации детектора, когда интенсивность поступающих нейтронов или мощность дозы среды достигает значения, которое превышает определенный уровень.
Устройство (21) считывания данных о состоянии
Прием и интерпретация данных, получаемых от сенсорного устройства, осуществляются в устройстве считывания данных о состоянии. Указанное устройство обеспечивает, чтобы детектор работал бесперебойно, посредством оценки данных о состоянии.
Внешнее процессорное устройство (14)
Когда вся система эксплуатируется совместно, пользователь может управлять всеми данными из единого центра, используя внешнее процессорное устройство (14).
Нейтронный детектор согласно настоящему изобретению позволяет пользователю изменять толщину замедлителя посредством программирования до облучения или удаленного регулирования в процессе облучения, что может служить отличием нейтронного детектора согласно настоящему изобретению от нейтронных детекторов, уже известных из предшествующего уровня техники. Переменные толщины замедлителей могут быть получены посредством заполнения жидким замедлителем имеющих постоянный объем каналов, находящихся в камере замедлителя. Таким образом, становится возможным измерение нейтронов в широком энергетическом диапазоне, и в этом заключается отличие от нейтронных детекторов, известных из предшествующего уровня техники.
Применение нейтронного детектора, имеющего все из указанных характеристик, в критических областях исследований, в которых энергетический диапазон нейтронов должен быть подробно известен, способствует выполнению важных промышленных требований. Кроме того, нейтронный детектор согласно настоящему изобретению не занимает много места и является достаточно портативным.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения нейтронный детектор имеет длину 88 см и цилиндрическую конструкцию, имеющую 21 см в диаметре.