Устройство для идентификации делящихся материалов

 

Сущность изобретения: для обеспечения достоверной идентификации делящегося материала в широком энергетическом диапазоне. В предлагаемом устройстве датчики нейтронов выполнены из полупроводниковых материалов с различным характером зависимости эффективности от энергии нейтронов. В одном канале используют датчик, эффективно регистрирующий нейтроны в диапазоне энергий от тепловых до приблизительно 1МэВ, в другом - датчик, основанный на пороговых реакциях, эффективно регистрирующий, начиная с 3 МэВ. 3 ил.

Устройство относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению нейтронного излучения, и предназначено для идентификации делящихся материалов (ДМ).

Задача идентификации делящихся материалов в настоящее время приобретает особенно важное значение в связи с увеличением опасности хищения этих материалов, в частности из изделий, содержащих детали и узлы, изготовленные из U-235, Pu-239 и т.п. Контроль внешнего вида и рентгеноскопия не обеспечивают необходимой достоверности идентификации.

Известны устройства для измерения мощности дозы нейтронов, позволяющие определить степень радиационной опасности для биологических объектов, выполненные в виде детектора тепловых нейтронов, помещенного внутри водородосодержащего замедлителя нейтронов. Они обладают высокой чувствительностью, но их чувствительность мало зависит от энергии нейтронов.

Известны устройства с замедлителем небольшой толщины, в которых для коррекции в области малых энергий в замедлитель вводятся вещества, обладающие определенными свойствами.

Так, в устройстве (по патенту Великобритании N 1067251, нац. кл. G6P, опубл. 1964), на определенной глубине замедлителя помещается слой вещества, поглощающий тепловые нейтроны.

В области высоких энергий характеристика корректируется введением дополнительного датчика, чувствительного к быстрым нейтронам, как это сделано в устройстве (по патенту Франции N 2209940, кл. G 01 T 3/00, опубл. 1974).

Однако, радиационный контроль по интегральному нейтронному излучению оставляет возможность подмены детали из делящегося материала имитатором в виде изотопного источника нейтронов, например типа α Be, обеспечивающего ту же интенсивность нейтронного излучения при приблизительно в 10 раз меньших количествах делящихся материалов.

Достоверная идентификация ДМ обеспечивается одновременным измерением нейтронного потока и спектра гамма-излучения. Однако, прибор для идентифицирования делящихся материалов, работа которого основана на этом принципе, имеет большие габариты, вес и стоимость.

Достоверная идентифицикация делящихся материалов может быть произведена с помощью измерения спектра нейтронов, так как спектр нейтронов деления отличается от спектров альфа-бериллиевых источников, но нейтронный спектрометр представляет собой еще более дорогой и сложный прибор, чем гамма-спектрометр.

Наиболее близким к предложенному является устройство для счета нейтронных совпадений ( Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся материалов, М. Атомиздат, 76, с.42 48, рис.13), содержащее два канала, каждый из которых состоит из блока детекторов, блока усилителей, линии задержки, дискриминатора и схемы совпадения, выходы которых подключены к входам регистратора импульсов.

Работа известного устройства основана на принципе подсчета количества одновременно испускаемых нейтронов и его показания не связаны с энергией электронов. Устройство имеет большой объем и вес.

Изобретение направлено на обеспечение достоверной идентификации делящегося материала в широком энергетическом диапазоне, для чего в устройстве для идентификации делящихся материалов, содержащем два канала, каждый из которых состоит из датчика нейтронов, амплитудного дискриминатора, счетчика, выходы счетчиков подключены к индикатору, датчики нейтронов выполнены из полупроводниковых материалов с различным характером зависимости эффективности от энергии нейтронов: в одном канале датчик, обеспечивающий эффективную регистрацию нейтронов в области энергий от тепловой до 1 МэВ, а в другом датчик, основанный на пороговых реакциях, эффективно работающий в области энергий от приблизительно 3 МэВ, причем выход каждого датчика через соответствующий преобразователь подключен к индикатору.

Таким образом предлагаемое устройство представляет собой двухканальный измеритель потока нейтронов, один канал которого имеет чувствительный элемент в виде полупроводникового детектора с эффективностью, уменьшающейся при увеличении энергии нейтронов, например из теллурида CdTe или селенида CdSe кадмия, а другой канал имеет чувствительный элемент в виде полупроводникового детектора из кремния, работающего с приблизительно 3 МэВ.

Отношение отсчетов первого канала ко второму при использовании в качестве источника делящегося материала в несколько раз больше, чем при использовании a -n источника нейтронов.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 спектры нейтронов деления и a -n источников; на фиг.3 зависимость эффективности от энергии нейтронов.

Устройство для идентификации делящихся материалов (фиг.1) содержит два канала, которые состоят из датчиков 1, 2 нейтронов, согласующих усилителей 3, 4, амплитудных дискриминаторов 5, 6, формирователей 7, 8 импульсов, счетчиков 9, 10 и индикатора 11.

В каждом канале последовательно соединенные согласующий усилитель, дискриминатор, формирователь импульсов и счетчик образуют преобразователь 12, 13, вход которого подключен к выходу соответствующего датчика нейтронов, а выход -к входу индикатора. На фиг.2 представлены спектры распределения энергии потоков нейтронов делящихся материалов и некоторых видов a -n источников, полученные экспериментальным путем.

Как видно из спектров, максимум распределения в спектре деления находится в области 0,5-1 МэВ, в то время, как у a -n источников имеется ряд максимумов в области 3-5 МэВ.

На этом отличии основан принцип работы устройства для идентификации делящихся материалов.

В предлагаемом устройстве для идентификации ДМ измеряется плотность потока нейтронов в двух спектральных областях. Первая область от тепловых до приблизительно 1 МэВ, обеспечивается полупроводниковым детектором 1 из селенида или теллурида кадмия, механизм регистрации нейтронов в котором основан на захвате нейтронов атомами кадмия с выделением мгновенных гамма-квантов захвата с суммарной энергией 9 МэВ. Сечение захвата уменьшается с ростом энергии нейтрона и в области энергий более 1 МэВ им можно пренебречь. Вторая область выше 3 МэВ обеспечивается полупроводниковым детектором 2 из кремния, механизм регистрации нейтронов в котором основан на реакциях n-p и n- a имеющих пороговый характер с энергией порога не менее 3 МэВ. Сигналы с детекторов преобразуются в импульсы тока преобразователями, выполненными на усилителях 3, 4, амплитудных дискриминаторах 5, 6 и формирователях 7, 8. Импульсы подсчитываются счетчиками 9, 10 импульсов. Индикатор 11 определяет отношение количества нейтронов в указанных двух диапазонах энергий. Отношение количества нейтронов в указанных двух диапазонах энергий у источников спектра давления и у источников типа a -n резко отличается друг от друга и может служить идентификационным признаком. Зависимость эффективности от энергии нейтрона для детекторов из CdTe и Si показана на фиг.3.

Таким образом, предлагаемое устройство в течение нескольких минут, необходимых для одной экспозиции, позволяет ответить на вопрос, содержит ли контролируемый объект делящиеся материалы.

Наиболее удобно применение такого двухканального радиометра для радиационной паспортизации изделий, когда изделие первый раз проверяется непосредственно после изготовления, а при последующих измерениях результаты измерения сопоставляются с первично занесенными в паспорт.

Использованный для регистрации нейтронов полупроводниковый детектор, изготовленный из монокристалла соединения кадмия, например селенида или теллурида кадмия, представляет собой пластину из полуизолирующего селенида или теллурида кадмия. На две противоположные стороны пластины нанесены металлические контакты, к которым через нагрузочное сопротивление приложено нагружение смещения.

Электронная часть устройства выполнена на стандартных функциональных блоках (Корн Г. Корн Т. Электронные аналоговые и аналого-цифровые вычислительные машины, М. Мир, 1968, с.177 182).

При изготовлении устройства использованы микросхемы серии 175 и 1013.

Прибор для идентификации делящихся материалов и радиационной паспортизации изделий по предварительным оценкам будет иметь объем не более 0,7 дм³ с автономным питанием и не более 0,4 дм³ с централизованным питанием, что в несколько раз меньше, чем у прибора на основе детектора нейтронов и гамма-спектрометра.

Формула изобретения

Устройство для идентификации делящихся материалов, содержащее два канала, каждый из которых состоит из датчика нейтронов, подключенного к входу преобразователя, и индикатора, отличающееся тем, что датчики нейтронов выполнены из полупроводниковых материалов с различным характером зависимости эффективности от энергии нейтронов: в одном канале датчик, обеспечивающий эффективную регистрацию нейтронов в области энергий от тепловых до примерно 1 МэВ, а в другом датчик, основанный на пороговых реакциях, начинающий эффективно регистрировать с Е_п ≥ 3 МэВ, причем выход преобразователя каждого канала подключен к соответствующему входу индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3