Счетчик нейтронов

 

Изобретение относится к области нейтронной физики и может быть использовано для измерений потоков нейтронов и юс спектральных характеристик в радиационной медицине, физических исследованиях. Цель изобретения - повьшение информативности счетчика за счет определения спектральных характеристик исследуемых потоков нейтронов и числа всех нейтронов, попавших на мишень счетчика, в диапазоне энергии нейтронов от О до нескольких мегаэлектронвольт. Счетчик нейтронов содержит многослойную мишень. Слои чередуются в направлении градиента потока нейтронов, каждый из слоев состоит из комбинации замедляющего и поглощающего нейтроны веществ. При этом в поглощающем материале происходит реакция (п,У ), мгновенное гаммаизлучение которой регистрируется гамма-спектрометром . Содержание замедляющих и поглощающих веществ в.слое L где выбирается из условия L , L c(k. и L - соответственно длина диффузии тепловых нейтронов в i-м слое и длина замедления нейтронов в i-м слое, а отношение общего объема мишени V к общей поверхности мишени S «LJ. С помощью гамма-спектрометра измеряется число гамма-квантов, образованных в каждом слое, и пересчитывается в спектральные характеристики исследуемых потоков нейтронов. 5 ил., 1 табл. (Л со со ts3 СП N3 СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 G 01 Т 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4039489/40-25 (22) 24. 03. 86 (46) 30. 04. 88, Бюл. N- 16 (72) Г.И.Борисов и А.М.Демидов (53) 531.1.074.8 (088.8) (56) Власов Н.В. Нейтроны. М.: Наука, 1971, с. 207-209.

East L.V., Valton R.Â. Polyethy—

lene moderated Не neutron detectors. — К?И, 72, 1969, р. 161 — 166.

Беркурц К., Виртц К. Нейтронная физика. М.: Атомиздат, 1968, с. 62. (54) СЧЕТЧИК НЕЙТРОНОВ (57) Изобретение относится к области нейтронной физики и может быть использовано для измерений потоков нейтронов и их спектральных характеристик в радиационной медицине, физических исследованиях. Цель изобретения повьппение информативности счетчика эа счет определения спектральных ха" рактеристик исследуемых потоков нейтронов и числа всех нейтронов, попавших на мишень счетчика, в диапазоне

„„SU„„1392523 А 1 энергии нейтронов от 0 до нескольких мегаэлектронвольт. Счетчик нейтронов содержит многослойную мишень. Слои чередуются в направлении градиента потока нейтронов, каждый из слоев состоит из комбинации замедляющего и поглощающего нейтроны веществ. 11ри этом в поглощающем материале происходит реакция (n, f ), мгновенное гаммаизлучение которой регистрируется гамма-спектрометром. Содержание замедляющих и поглощающих веществ в,слое i выбирается иэ условия I.< Ls Где

L w и 1. — соответственйо длина диф э фузии тепловых нейтронов в i-м слое и длина замедления нейтронов в -м слое, а отношение общего объема мишени Ч к общей поверхности мишени S =

=E.. С помощью гамма-спектрометра из5 меряется число гамма-квантов, обравованных в каждом слое, и пересчитывается в спектральные характеристики исследуемых потоков нейтронов. 5 ил., 1 табл.

М 4

1392523

Из<>бретение < 7 н< сится к технической <1)n <пк< << члстн<<<. ти к <<ейтронной физике, и может быть использовано в

Ьизических исследованиях, в радиаци«нн< и медицине и народном хозяйстве при не <бхолимости измерения потоков нейтронов и их спектральных характеристик.

Цель изобретения — повьш ение информативности устройства за счет определения спектральных характеристик

< исследуемых потоков нейтронов и числа всех нейтронов, попавших в мишень счетчика, независимо от их энергии 15 во всем измеряемом диапазоне от энергии ультрахолодных нейтронов до нескольких мегаэлектронвольт.

На фиг.1 представлена схема счетчика, которая может быть использована 20 для измерений параллельных потоков нейтронов; на фиг.2 — схема счетчика, пример исполнения для измерений изотропных потоков; на фиг.3 — схема счетчика, пример исполнения для изме- 25 рений потоков точечных источников нейтронов; на фиг.4 — схема счетчика, пример исполнения для измерений с пучками нейтронов; на фиг.5 — схема предлагаемого устройства. 30

Предлагаемое устройство содержит многослойную мишень 1, в которой происходит замедление и поглощение нейтронов, сопровождающееся излучением -квантов, детектор 2 мгновенного

11 †излучен, преобразующего энергию (-квантов в электрические сигналы с амплитудой, пропорциональной энергии регистрируемого 11-излучения, устрой40 ство 3 обработки сигналов с детектора мгновенного 1(-излучения, преобразующего числа регистрируемых сигналов с амплитудами, соответствующими -излучению, возникающему при поглощении

45 нейтронов, в спектральные характеристики исследуемых потоков и полное число нейтронов, попавших в мишень.

Наиболее универсальным решением для детектора и устройства обработки сигнала является использование полупроводникОвого спектрометра с усилительным трактом и многоканальным анализатором с миниЗВ11. Возможно использование и сцичтилляционных спектрометров с более простыми и дешевыми устройст- Р вами анализа амплитуд электрических сигналон с детектора и дальнейшей обработки инф< рмацпи.

Для проведения измерений мишень помещают в исследуемый поток нейтронов, KQTopblA термализуется в мишени и поглощается в различных слоях мишени с испусканием 11 -квантов различных энергий в различных слоях мишени.

При этом производят измерение спектра мгновенного 1(-излучения, возникающего при взаимодействии исследуемого потока нейтронов с веществами мишени, После этого осуществляют обработку спектрометрической информации в сочетании а! заданными алгоритмами, в результате чего получают необходимые спектральные характеристики исследуемого потока и полное число нейтронов, попавших в детектор.

Определение спектральных характеристик исследуемых потоков и полного числа нейтронов, попавших в мишень, с использованием предлагаемого устройства может быть обосновано следующим образом. Исследуемый спектр нейтронов можно разбить на несколько энергетических групп. Тогда для чисел

) -квантов, регистрируемых детектором из различных слоев мишени, может быть записана система уравнений е

° °

N) = pL;N

11 (1)

° ° ° ° ° ° е

1 «

«< где i — индекс слоя мишени; индекс энергетической группы нейтронов; .

n — число слоев мишени; е — число энергетических групп нейтронов;

N — число зарегистрированных -квантов;

N — число нейтронов энергетичес3 кой группы, попавших в детектор; ь ; — число -квантов, излучаемых слоем i при попадании в мишень одного нейтрона из энергетической группы j.

В связи с тем, что пространственное распределение нейтронов по мишени существенно различно для различных энергетических групп нейтронов, система линейных уравнений (1) (при

n=l) является линейно независимой, 1392523 т.е. ее главный определитель отличен от 0 и она имеет единстненное решение, Кроме системы уравнения (1) может быть записано очевидное выражение для

0 — >< полного числа нейтронов iJ, поJ павших в мишень при известной э ективности регистрации (-квантов Я,. и числе )1-квантов, излучаемых в одной ядерной реакции I : е

1-P;., EJJ I, ), Q N (1-/3; ), (2)

l5 где 9 — альбедо мишени для нейтронов

Г1 энергетической группы j.

Из выражений (1) и (2) следует, что полное число нейтронов с исполь 20 зованием предлагаемого устройства можно измерить при любом исходном спектре нейтронов °

Значения коэффициентов eL; в системе уравнений (1) могут быть опреде25 лены экспериментально с использованием моноэнергетических нейтронов, по" лучаемых, например, в реакциях (р, п) на .ускорителях типа генератора Ванде-Граафа, ампульных источников нейтронов с известными спектральными рас-З0 пределениями или квазимоноэнергетических нейтронов, получаемых при по мощи различных резонансньж рассеивателей и резонансных фильтров на исследовательских реакторах. При этом 35 экспериментальные значения коэффициентов могут быть найдены из выражения

< <) Р э и (3) 40

J где согласно выражению (2)

1 N; (4)

1-PJ,., E I, Значения в мишени предлагаемой конструкции, содержащей в первом слое вещества, эффективно поглощающие нейтроны, не превьппают 2-3Х для любых энергетических групп.

Предлагаемое устройство может быть эффективно использовано для восстановления полного спектра нейтронов реактора, который может быть разбит на три энергетические группы с известной аналитической формой: распределение Максвелла для тепловых нейтронов, распределение ферми и распределение нейтронов деления.

Пример. П1>ели;зга« ". у< тJ><>itство было испытано нри измерениях <. выведенным из касательн<>г< горич<>нтального канала пучком нейтрон<>зз.

Энергетические спектры ней гронон пучка формировались при помощи различньж фильтров.

Схема устройства представлена на фиг.5, где приняты гледующие обозначения: 1 — мишень, имеющая форму куба размерами 300х 300х300 "мм (V„ /S„=

=0,88L, где Е =57 мм нейтронов спектра деления со средней энергией

2 МэВ), состоящая из двух слоев слоя полиэтилена размерами 300х300х х120 мм (1. =0,48 J. ) и слоя борированного полиэтилена размерами 300х х300х180 мм (1, c< L ), в мишени со стороны слоя полиэтилена имеется отверстие для ввода исследуемого потока нейтронов глубиной 8=60 мм и диаметром <р =30 мм (S =0,22L ) 2 — полупроводниковый германиевый детектор

ОКТЕС СИХ20 90 объемом 100 см, который преобразует энергию зарегистрированных -квантов в электрические сигналы с амплитудой, пропорциональной энергии регистрируемого -излучения;

4 — экран из 1.1, защищающий детектор от тепловых нейтронов; 5 — защита детектора от нейтронов и внешнего -излучения; 6 — высоковольтный блок питания детектора; 7 — основной усилитель, усиливающий и формирующий электрические сигналы с детектора;

8 — аналого-цифровой преобразователь, преобразующий электрические сигналы с усилителя в одномерное цифровое ф распределение сигналов по амплитуде;

9 — буферная память, запоминающая цифровую информацию, поступающую с аналого-цифрового преобразователя;

10 — миниЭВМ с набором периферийных устройств, обрабатывающая цифровую информацию в соответствии с заданными алгоритмами и обеспечивающая наблюдение цифровой информации, ее запись на долговременные носители и печать результатов измерений; 11 выведенный пучок нейтронов, спектр которого формируется при помо<>зи 1>а зличных фильтров.

Блоки 7-10 представляют собой устройство обработки электрических сигналов. Использование такого прецизионного спектрометрического оборуд< нания необязательно. В устр< йсTE« жет быть применена более пр<1гта>з

1192 23 гг!»ктр< м»трия, в гом чи< л» и сцинт1(л—

fiHiIIlOHflHH .

1111 <1пг!а !.а»Ìλ, ("1 p(>If< off O tfblJIO исц > If:!Онан< для и lуч»ния характеристи5 кц пот !ков н»йгронов при использовании следующих (

Toл1яиной 1 MM В толщиной 1 г/»M г фи.цьтр, состоящий из 200 мм железа, 300 мм алюминия и 50 мм серы, кварц толщиной 116 и 212 мм. В таблице приведены измеренные характеристики иссл»дованных потоков нейтронов, где

d,"l)/dt — число (— квантов с энергией

2223 кэВ из реакции Н (п, ) ll, регистриру»мое детектором в единицу вреIf HH f3 ОсноннОм из Jf»pBoro слоя 20 мишени; dË /dt — число -квантов из

7 реакции о Б (п,2$) l,i с энергией <78 кзВ, регистрируемое детектором в единицу вр»мени из второго слоя мише<( ни; dN /dt — число нейтронов в данном 25 слое; К вЂ” измеряемая кратность ослабления полного исходного потока нейтронов данным фильтром; R кадмиевое отношение для исследуемого потока нейтронов, которое при исполь- g0 зовании предлагаемого устройства является отношением полного исследуемого потока нейтронов к потоку нейтронов с. энергией, пр»вышающей 0,5 эВ;

Š— средняя энергия нейтронов при усреднении по потоку и сечению упругого рассеяния на водороде

Е=)Е(1!(Е)5(E)dE/ (с1!(Е)с1(Е)с1Е, Е, Е, 40 где F, — энергия н(йтрона;

Су(Е ) — дид!фер»нциа!1!.ная плотность потока нейтронов;

О(Е) — сечение упругого рассеяния нейтронов на водороде;

Š— псрогово» значение энергии

О н»йтронОв.

Среднее знач»ни< нергии нейтронов, определяемое согласно формуле (5), имеет больщо» с!нач»ни» в медико-био50 логических исследованиях. Оно является измеряемой сц»ктра.!ьной характеристикой иссл»ду»мых потоков нейтроНов в данном пр111!»ре применения устРойства.

Для измерения средней энергии

НЕйтронон в Иг с JI»ffó» fl.ff(ЦуЧках была провед»на !(1!Лц(пров

1ПЕ =А1п(."! /N,)+В, (б) где константы А и В были определены методом наименьших квадратов.

Изобретение позволяет проводить следующие измерения: полных потоков нейтронов независимо от их спектрального состава; кадмиевых отношений исследуемых потоков нейтронов, которые при использовании счетчика, являющегося всеволновым во всем измеряемом диапазоне энергии нейтронов от

0 до нескольких мегаэлектронвольт, равны отношениям полных потоков к потокам нейтронов с энергией, превышавшей 0,5 эВ; кратностей ослабления полного потока нейтронов различными фильтрами; средней энергии нейтронов пучка при различных формировках энергетического спектра, что в сочетании с измеренным полным потоком позволяет, например, определить компоненту дозы от упругого рассеяния нейтронов на поверхности облучемого объекта.

Хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений средней энергии нейтронов для пучков нейтронов, полученных при помощи фильтров

<о из кадмия и В, указывает на правильность выбора формы спектра нейтронов.

Таким образом, полученные резуль" таты позволяют полностью восстановить исходный спектр нейтронов пучка.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Счетчик нейтронов, содержащий мишень, детектор мгновенного (--излучения и средство обработки сигналов детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения информативностии счетчика за счет определения спектральных характеристик исследу»1 9Р5Р3 мых потоков н йтронон и числа всpх 1. длина замедления нейтронов нейтронов, попавших н мпшен гчетчи- в заме дляющем веществе; ка, незавигимо от пх энергии н изме- индекг глоя, ряемом диапазоне от энергии ультрахо — причем общий объем мишени V выбран

5 м лодных нейтронон до нескольких мега- в соответствии с завигнмогтью электронвольт, мишень выполнена многослойной с числом слоев и 2, слои М м 5 чередуются в направлении градиента потока нейтронов в мишени, при этом fp где S — общая площадь поверхности каждый из слоев состоит из комбинации мишени, замедляющего и поглощающего нейтроны а все материалы слоев мишени удовлетвеществ, содержание которых в каждом воряют условию: все ядерные реакции слое вЫбрано из условия и мишени, протекающие с поглощением

Lt нейтронов, сопронождаютгя излучением где L — длина диффузии тепловых ней- У-квантов различных энергий в различЛ тронов в слое: ных слоях мишени.

Характеристики потоков нейтронов реактора, получаемых при помощи различных фильтров, измеренные с использованием предлагаемого счетчика нейтронов г Г

Фильтр dN, /dt, 011 /dt, 1 3

-(-1 с с

dH /dt, К.

F., к э В с измерение расчет

9,302 10

3,002 10

1,471 10

1,670 10

2,356 10

310 6,65

665, 5, 138, 7

86,63

58,26

39,0

37,2

186, 7

3,10

114

6,32

80, 92

0,421

23,2

24,0

Fe, Al, S 1,08

Кварц 116 мм 179,3

557

3,95 13,3 1,87

19, 14

Кварц +

+Cd 116 мм

1, 771 10

55,6

47,00

10,61

1,106 10 8,41 39,4 0,917

Кварц 212 мм 85,81

6,480

Кварц+

+Cd 212 мм

2,81 10

85,6

1,02

1,61

1397523

4 4 фиг. 1 фиг. Р

1 < Ч2>23 фиа У

Яи е.

13 92523

Составитель С.Кондратенко

Техред Л.Сердюкова Корректор В.Бутяга

Редактор A.Ог ар

Заказ 1888/51

Типаж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4