УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРИИ НЕЙТРОНОВ
DEVICE FOR NEUTRON SPECTROMETRY

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для определения энергетического распределения направленных потоков нейтронов в широком диапазоне энергий.
Известен многошаровой спектрометр Боннера [1], называемый также «мультисферный спектрометр» [2], состоящий из набора нескольких сфер различных диаметров, изготовленных из замедляющего быстрые нейтроны вещества (например, полиэтилена). В центре сфер размещены детекторы тепловых и медленных нейтронов (ДТМН). Детекторы, находящиеся в сферах, имеют различную зависимость чувствительности от энергии падающих на них нейтронов, что позволяет оценивать энергетический спектр нейтронного излучения. Недостатками мультисферного спектрометра являются значительный вес и габариты, невозможность одновременного измерения параметров нейтронного излучения в малом объеме, а также отсутствие его направленности по отношению к источнику излучения.
Устройство по авторскому свидетельству [3] содержит многослойную мишень и гамма-спектрометр. Каждый из слоев мишени состоит из комбинации замедляющего и поглощающего нейтроны веществ. Гамма-излучение, возникающее в реакции (n, γ), регистрируется гамма-спектрометром. Однако такой метод регистрации нейтронов не позволяет достичь высокой эффективности регистрации, поскольку гамма-спектрометром может быть зарегистрирована только малая часть гамма-квантов, не более 20%. Кроме того, применение полупроводникового или сцинтилляционного спектрометров предполагает сложную конструкцию и высокую стоимость всей системы.
Устройства для детектирования и спектрометрии направленных потоков нейтронов [4-5] содержат мишень из замедляющих нейтроны плоских слоев, чередующихся с поглощающими слоями ДТМН, в качестве которых использованы гелиевые газоразрядные счетчики нейтронов, расположенные равномерно в каждом слое. Счетчики подключены к соответствующему регистратору, суммирующему импульсы всех ДТМН. Однако в данном устройстве практически невозможно идентифицировать импульсы, генерируемые нейтронами и гамма-квантами по их энергии или форме импульса. В результате возникают неучтенные систематические погрешности, особенно при высоком уровне сопутствующего гамма-излучения.
10
6
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является устройство, предложенное Мак-Киббеном [6-7], для измерения направленного потока нейтронов. Измерительный блок устройства представляет собой водородсодержащий замедлитель направленного потока нейтронов цилиндрической формы, вдоль оси которого расположен регистратор медленных и тепловых нейтронов на основе газоразрядного счетчика. Торцевая поверхность замедлителя со стороны, обращенной к источнику излучений, имеет 8 цилиндрических углублений, предназначенных для выравнивания чувствительности детектора к нейтронам разных энергий. Для уменьшения влияния на показания детекторов рассеянных (фоновых) нейтронов, падающих на боковую поверхность измерительного блока, он окружен защитными цилиндрическими слоями из замедлителя рассеянных нейтронов и борного фильтра, поглощающего медленные и тепловые нейтроны. Такая конструкция устройства позволяет регистрировать только направленные потоки нейтронов по числу импульсов, интегрируемых со всего объема счетчика, при взаимодействии нейтронов с бором-10 (на стенках счетчика) в реакции B(n,α)L и практически с одинаковой эффективностью. Поэтому устройство получило название «всеволнового». Для измерения энергетического спектра нейтронов устройство не предназначено.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в измерении энергетического спектра направленных потоков нейтронов в широком диапазоне энергий, при высоком уровне сопутствующего гамма-излучения и сохранении за устройством функции измерителя потока нейтронов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве, состоящем из водородсодержащих замедлителей нейтронов цилиндрической формы, регистраторов тепловых и медленных нейтронов, расположенных вдоль центральной оси устройства, борного фильтра и цилиндрических углублений на торцевой поверхности замедлителя, обращенной к источнику излучений, в качестве регистраторов используют активационные детекторы в кадмиевом чехле и без чехла, которые размещены в контейнере попарно на расстояниях, не более длины диффузии тепловых нейтронов в замедлителе, а цилиндрические углубления заполнены вставками. При этом контейнер и вставки выполнены из материала замедлителя.
На фиг. 1 приведена схема устройства, предложенного Мак-Киббеном, где 1 - замедлитель направленного потока нейтронов, 2 - регистратор медленных и тепловых нейтронов (газоразрядный счетчик), 3 - цилиндрические углубления, 4 - замедлитель рассеянных нейтронов, 5 - борный фильтр.
На фиг. 2 приведена схема предлагаемого устройства, где дополнительными элементами являются: 6 - активационный детектор с кадмиевым чехлом, 7 - активационный детектор без чехла, 8 - контейнер для размещения детекторов, 9 - вставки.
Фиг. 3 - Схема контейнера для размещения активационных детекторов.
Фиг. 4 - Внешний вид предлагаемого устройства.
Фиг. 5 - Пространственное распределение потока тепловых нейтронов S(l, Е) вдоль центральной оси устройства от направленных потоков моноэнергетических нейтронов (расчетные данные).
i
Устройство работает следующим образом. Нейтроны, попадая в устройство, замедляются в водородсодержащем материале (1) до тепловых и медленных энергий, затем поглощаются активационными детекторами (6, 7). Для каждой энергии нейтронов существует глубина замедлителя, равная длине замедления нейтронов до тепловых энергий, при которой эффективность регистрации нейтронов детектором максимальна. Детекторы в каждой i - ячейке обладают собственной функцией отклика S(E) в зависимости от энергии (Е) падающего нейтрона, которая определяется расчетным путем с учетом конструкции предложенного устройства, реальных размеров детекторов и геометрии их размещения в контейнере.
Для определения энергетического спектра нейтронов φ(Е) с помощью предлагаемого устройства необходимо найти решение системы уравнений
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow><mrow><mi>E</mi><mtext> </mtext><mi>max</mi></mrow></munderover><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mo>…</mo><mi>n</mi><mo>,</mo></mrow>
i
i
icd
где ΔN=N-N - отклик детекторов в i-ячейке за счет взаимодействия с тепловыми нейтронами,
i
N - отклик детектора без кадмиевого чехла в i-ячейке,
icd
N - отклик детектора с кадмиевым чехлом в i-ячейке,
n - количество ячеек в контейнере для размещения детекторов.
163
l63
164
i
Преимущество использования активационных детекторов с большим сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами (например, Dy) заключается, прежде всего, в возможности измерения спектра в широком диапазоне значений потока нейтронов, а также в том, что детекторы не чувствительны к сопутствующему гамма-излучению. Детекторы с кадмиевым чехлом регистрируют все нейтроны, кроме тепловых энергий, без чехла - во всем энергетическом диапазоне, включая тепловые. По разности показаний этих детекторов определяется скорость счета импульсов (ΔN) за счет тепловых нейтронов. С точки зрения удобства использования детекторов их целесообразно применять в виде пластин толщиной 2-3 мм, изготовленных путем замеса диспрозиевого порошка в полиэтилене по заводской технологии. При такой технологии изготовления материала неравномерность распределения диспрозия в детекторе не превышает 1%. Активность детекторов (скорость счета импульсов) может быть измерена с помощью любого радиометра и пересчетного прибора. Все результаты измерений приводятся ко времени измерения первого детектора, поскольку период полураспада продукта реакции Dy(n,γ)Dy невелик (2, 3 часа).
Результаты исследований, приведенные на фиг. 5, позволяют определить оптимальную длину контейнера (или количество пар детекторов в контейнере) из условия, что для нейтронов с энергией 14 МэВ отклик детекторов в конце контейнера не должен превышать (25-30)% от максимального отклика.
д
д
При выборе расстояния (r) между ячейками (между группами детекторов) в контейнере необходимо учитывать следующие обстоятельства. При r более длины диффузии тепловых нейтронов в водородсодержащем материале (λ) происходит значительная потеря тепловых нейтронов вследствие их поглощения ядрами замедлителя и ухудшается качество восстановления спектра нейтронов. Отсюда следует, что расстояние между группами детекторов не должно превышать λ.
Для уменьшения вклада рассеянных (фоновых) нейтронов на показания детекторов толщина замедлителя (4) должна быть сравнима или превышать длину замедления этих нейтронов, падающих на боковую поверхность замедлителя.
При измерении спектра нейтронов углубления (3) на торцевой поверхности замедлителя (1) искажают реальную картину измеряемого спектра, поэтому они заполняются вставками (9) из материала замедлителя. Углубления в устройстве целесообразно сохранить для использования изобретения по двойному назначению: для измерения спектра нейтронов (с вставками) и потока нейтронов (без вставок).
i
В результате изготовления контейнера и вставок из материала замедлителя повышается точность определения зависимости S(Е), поскольку используется меньшее количество разных материалов в расчетной модели.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерять энергетический спектр направленных потоков нейтронов в широком диапазоне энергий при высоких уровнях сопутствующего гамма-излучения. Кроме того, устройство может быть использовано по двойному назначению: для измерения спектра нейтронов (с вставками) и потока нейтронов (без вставок).
Литература
1. Bonner T.W., Bramblett R.L. Nucl. Instr. and Methods. 1960, v. 9, p. 1-12.
2. Семенов В.П., Трыков Л.А., Фадеев Ю.В. Мультисферный спектрометр. Приборы и техника эксперимента. 1974, №5, с. 40-43.
3. Устройство для спектрометрии нейтронов. Авт. св. №1392523, МПК G01T 3/00.
4. Устройство для регистрации потоков нейтронов. Патент РФ №2102775. 1998.
5. Устройство для детектирования и спектрометрии нейтронов. Патент РФ №2222818. 2004.
6. Hanson А.О., Мс Kibben I.L. Phyz. Rev. 1947, 72, p. 673.
7. В. Прайс. Регистрация ядерного излучения. М.: Изд. иностранной литературы. 1960, с. 330-331.