Патент на изобретение №2254625

(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА, СОДЕРЖАЩЕГО СЛОЙ ДЕЛЯЩЕГОСЯ МАТЕРИАЛА

(57) Реферат:

Использование: для оценки эффективности энерговыделяющего элемента, содержащего слой делящегося материала. Сущность: заключается в том, что в качестве непосредственно измеряемых частиц, моделирующих вынос энергии осколками деления из слоя делящегося материала, выбирают альфа-частицы, спонтанно испускаемые делящимся материалом в глубине слоя и с вероятностью выходящие из слоя наружу; рассчитывают модельную переходную функцию А(), учитывающую соотношение вероятностей выхода из слоя делящегося материала осколков деления и альфа-частиц; определяют эффективность из выражения =A(), где – измеренное в эксперименте значение вероятности выхода альфа-частиц из слоя делящегося материала. Технический результат: упрощение и повышение оперативности измерений эффективности энерговыделяющих элементов, а также возможность контроля изменения эффективности во времени. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике в области ядерной физики, в частности к измерениям эффективности энерговыделяющих элементов (ЭВЭЛов), содержащих тонкий (несколько микрон) слой делящегося материала (ДМ).

Изобретение может быть использовано для исследования энергетического и временного ресурса ЭВЭЛов, в частности, в интересах лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН).

В наиболее распространенном варианте ЭВЭЛ представляет собой пленку (тонкий слой, толщиной 2-3 мкм) из ДМ, нанесенную на подложку. В общем случае пленка из ДМ может иметь неоднородную, в том числе слоистую, структуру суммарной толщиной до 4-5 мкм. Кроме того, в ЭВЭЛе возможно наличие тонкого (менее микрона) внешнего защитного слоя, например из алюминия.

ЭВЭЛы могут, в частности, служить источником энергии накачки лазерно-активной среды (ЛАС). Накачка газовой ЛАС производится осколками деления, образующимися, например, в реакции ²³⁵U(n,f) и вылетающими с поверхности ЭВЭЛа. Эффективность использования энергии осколков, образующихся в слое ДМ, является важнейшей характеристикой ЭВЭЛа.

Эффективность ЭВЭЛа (доля полной энергии деления, выносимой осколками деления в лазерный газ) может уменьшаться с течением времени из-за осаждения на поверхности ЭВЭЛа микронных слоев пыли, диффузии слоя ДМ в подложку и т.п., что неконтролируемо изменяет распределение энергии накачки по объему лазерного канала, приводит к появлению недопустимых оптических неоднородностей в нем и к ухудшению качества лазерного пучка.

Таким образом, эффективность каждого ЭВЭЛа должна быть измерена не только при его изготовлении, но и должна оперативно контролироваться в процессе эксплуатации с целью определения энергетического и временного ресурса ЭВЭЛов.

Известны следующие способы определения эффективности ЭВЭЛов:

1. Расчетный метод [1, 2].

Существующие физические модели прохождения заряженных частиц через вещество позволяют в принципе провести расчетные оценки эффективности выноса энергии осколками деления из слоя ДМ с учетом его неоднородности и энергетического спектра осколков. Однако, на практике надежность подобных оценок для ЭВЭЛов невелика из-за отсутствия достаточной информации о реальном распределении ДМ в ЭВЭЛе, а также о реальной геометрии пленки из ДМ.

Кроме того, расчетный метод не дает возможности отследить изменения эффективности ЭВЭЛа с течением времени. Среди причин, приводящих к этим изменениям, можно отметить следующие: осаждение на поверхности ЭВЭЛа микронных слоев пыли, диффузию пленки ДМ в подложку, распыление ДМ вылетающими осколками деления и т.п.

2. Экспериментальное определение эффективности ЭВЭЛа по результатам прямых измерений (прототип [3]) полной энергии «Q» деления ядер внутри ЭВЭЛа и полной кинетической энергии «q» осколков деления, вышедших из ЭВЭЛа. Эффективность ЭВЭЛа в этом случае находится из соотношения s=q/Q.

Подобные измерения могут быть осуществлены лишь в сложном и дорогостоящем эксперименте при облучении ЭВЭЛа потоком нейтронов (например, нейтронами импульсного ядерного реактора), сопровождающимся образованием в слое ДМ осколков деления. Общая длительность эксперимента по определению эффективности одного ЭВЭЛа, включая подготовку, проведение и обработку результатов, может составлять несколько месяцев. Поэтому указанный способ не пригоден для последовательного измерения большого количества ЭВЭЛов и не дает возможности оперативно контролировать изменение эффективности ЭВЭЛа во времени.

Технический результат предлагаемого способа состоит:

– в простоте и оперативности измерений (длительность отдельного измерения может занимать всего несколько минут), что позволяет проводить индивидуальные исследования большого количества ЭВЭЛов;

– в возможности контроля изменения эффективности во времени.

Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа оценки эффективности содержащего слой ДМ ЭВЭЛа, заключающегося в непосредственном измерении доли энергии, выносимой осколками деления из слоя ДМ [3], в предлагаемом способе:

в качестве непосредственно измеряемых частиц, моделирующих вынос энергии осколками деления из слоя ДМ, выбирают альфа-частицы, спонтанно испускаемые делящимся материалом в глубине слоя и с вероятностью «» выходящие из слоя наружу;

рассчитывают модельную переходную функцию А(), учитывающую соотношение вероятностей выхода из слоя делящегося материала осколков деления и альфа-частиц;

вместе с альфа-частицами регистрируют гамма-кванты, испускаемые делящимся материалом одновременно с альфа-частицами;

экспериментально определяют среднюю вероятность «_a» выхода альфа-частиц из слоя ДМ в соответствии с выражением

где «n’» – число зарегистрированных альфа-частиц;

«n’»-число зарегистрированных гамма-квантов;

«» – градуировочная константа;

определяют эффективность «» выноса энергии осколками деления из слоя делящегося материала из выражения

=А()·,

где – определенное из эксперимента значение вероятности выхода альфа-частиц для слоя делящегося материала;

A() – расчетное значение переходной функции, соответствующее определенному в эксперименте значению вероятности выхода альфа-частиц «».

Таким образом, на основании предложенной авторами модели предлагается способ оценки эффективности ЭВЭЛа не по результатам прямых измерений [3], а по косвенному определению доли энергии, выносимой осколками деления из слоя ДМ. Речь идет о моделировании вероятности выхода осколков деления из ЭВЭЛа вероятностью выхода альфа-частиц, испускаемых в результате естественного альфа-распада ДМ, содержащегося в ЭВЭЛе.

Использование естественного излучения радиоактивных материалов в качестве измеряемого путем регистрации альфа- и гамма-излучения, выходящего с поверхности ЭВЭЛа, является обоснованным с точки зрения определения эффективности выноса энергии осколками деления из ЭВЭЛа. Действительно, осколки деления и альфа-частицы – это физически близкие частицы: пробеги их приблизительно одинаковы и рождаются они из одних и тех же центров в результате процесса распада ядра делящегося изотопа. Поэтому все процессы, влияющие на вероятность выхода осколка из ЭВЭЛа, в приблизительно одинаковой степени влияют и на вероятность выхода альфа-частицы. Таким образом, средняя вероятность выхода альфа-частиц из ЭВЭЛа может быть использована для оценки эффективности ЭВЭЛа.

В общем случае можно положить, что средняя вероятность выхода осколков деления из ЭВЭЛа «» связана с соответствующей вероятностью для альфа-частиц «» соотношением

=·f() (1)

Средняя вероятность «» выхода альфа-частиц из ЭВЭЛа может быть экспериментально определена как отношение двух измеряемых величин: количества альфа-частиц, вышедших за определенное время из ЭВЭЛа, и количества альфа-частиц, рожденных за это же время в ЭВЭЛе.

Расчетный анализ показывает, что функция «f()» для толщин ДМ, меньших пробега осколков (а именно такую толщину имеет ЭВЭЛ), очень слабо зависит от своего аргумента и, поэтому, расчетные оценки ее значений достаточно надежны. Это подтверждает, что альфа-частицы удачно «моделируют» выход осколков деления из ЭВЭЛа.

С другой стороны, известны достаточно точные расчетные модели [1], выражающие эффективность «» выноса энергии осколками из ЭВЭЛа (эффективность ЭВЭЛа) через вероятность «»

=F()·. (2)

По физическому смыслу функция «F()» связывает вероятность выноса энергии осколков «» из ЭВЭЛа с вероятностью выхода самих осколков «».

Таким образом, с учетом формул (1) и (2) предлагается способ экспериментального определения эффективности «» через измеряемую среднюю вероятность вылета альфа-частиц из ЭВЭЛа «₂»

=A()·. (3)

Необходимо отметить, что «» – достаточно просто измеряемая в лабораторных условиях величина.

По физическому смыслу переходная функция «A()» связывает вероятность выхода энергии осколков из ЭВЭЛа с вероятностью выхода альфа-частиц из того же ЭВЭЛа. Она может быть рассчитана следующим образом:

где <> – расчетное значение средней вероятности выхода осколка деления из ЭВЭЛа;

<> – расчетное значение средней вероятности выхода альфа-частицы из ЭВЭЛа;

<Е’> – расчетное значение средней энергии осколков деления при выходе из ЭВЭЛа;

<Е> – расчетное значение средней энергии осколков деления при рождении в ЭВЭЛе.

Из сказанного ясно, что для расчетного определения вида функции «А()» для соответствующего ДМ необходима лишь информация об энергетических спектрах осколков деления и альфа-частиц.

Средняя вероятность выхода альфа-частиц с поверхности измеряемого ЭВЭЛа по определению есть отношение числа «N’» альфа-частиц, вышедших из ЭВЭЛа, к числу «N» альфа-частиц, рожденных в ЭВЭЛе

Количество альфа-частиц, «N’» вышедших из ЭВЭЛа, экспериментально определяется по числу частиц «n’», зарегистрированных альфа-детектором, из соотношения

N’=N’·b, (6)

где b – известная светосила детектора альфа-частиц.

Число альфа-частиц, рожденных в слое ДМ, определяется по измеренному количеству гамма-квантов, вышедших из ЭВЭЛа. Гамма-кванты и альфа-частицы рождаются в активном слое в результате одних и тех же процессов распада изотопов ДМ. Поэтому для данного изотопного состава ЭВЭЛа можно записать соотношение, связывающее количества альфа-частиц и гамма-квантов, рождающихся в ДМ при альфа-распаде

N=N·G, (7)

где G=const – постоянная изотопного состава, определяющая соотношение гамма-квантов и альфа-частиц, рождающихся в слое ДМ в результате одних и тех же процессов распада изотопов ДМ.

Таким образом для количества зарегистрированных -квантов можно записать

n’=N··b, (8)

где b – светосила детектора гамма-квантов;

– вероятность выхода гамма-квантов из ЭВЭЛа.

С учетом формул (5)-(8) средняя вероятность выхода альфа-частиц с поверхности измеряемого ЭВЭЛа определяется по результатам измерений из следующего выражения:

где

Метрологическая константа «» есть величина постоянная для данного изотопного состава и данной геометрии измерительной системы (расстояние от слоя ДМ до альфа- и гамма-детекторов, площадь входных окон детекторов и т.п.), независящая от свойств ЭВЭЛа. Она определяется заранее из соотношения (9) в специальном градуировочном эксперименте с ЭВЭЛом, для которого величина «» заранее известна. В качестве такого «образцового» ЭВЭЛа может быть использован ЭВЭЛ с очень тонким активным слоем. Для такого ЭВЭЛа с хорошей точностью можно положить 0.5 [1].

Таким образом, моделирование определяющего эффективность ЭВЭЛ выхода осколков деления, рождающихся в тонком слое ДМ при нейтронном облучении, альфа-частицами, спонтанно испускаемыми ДМ, позволяет существенно упростить и повысить оперативность экспериментального определения эффективности ЭВЭЛ, обеспечив одновременно возможность контроля изменения эффективности во времени.

Из изложенного ясно, что предложенный способ измерения эффективности является косвенным. В силу этого он требует калибровки, т.е. проведения однократного прямого эксперимента с использованием нейтронного облучения импульсного ядерного реактора.

Перечень фигур и графических изображений включает в себя:

фиг.1 – вид переходной функции А() для ЭВЭЛов со слоем урана-235 (толщина слоя урана 0.1-4 мкм; толщина защитного алюминиевого покрытия 0.1-1 мкм).

фиг.2 – предлагаемая геометрия измерений средней вероятности «» вылета альфа-частиц из ЭВЭЛа.

Измерения выхода альфа-частиц предполагается проводить на совмещенном альфа-гамма-спектрометре в жесткой фиксированной геометрии. В качестве детекторов в измерительных каналах спектрометра удобно использовать сцинтилляционные альфа- и гамма-детекторы, имеющие большую эффективность. Геометрия измерений схематично представлена на фиг.2: «1» – слой урана-235 на подложке «2»; «3» – детектор альфа-частиц; «4» – детектор гамма-излучения.

Заявленное предложение предполагает следующую последовательность действий при измерении эффективности ЭВЭЛа, содержащего, например, слой урана-235:

1. Расчетное определение явного вида функции «А()» для данного ДМ (в нашем случае – для урана-235). В качестве примера приведем вид переходной функции «А()» для урана-235, рассчитанной при следующих модельных предположениях:

распределение урана по толщине слоя характеризуется произвольной линейной зависимостью;

осколки деления U-235 в момент рождения характеризуются известным энергетическим спектром;

спектр альфа-частиц, испускаемых при альфа-распаде U-235, также известен.

При этих предположениях переходная функция имеет вид

А(}=3318.3· ⁴-5236.5· ³+3097.4· ²-811.3·+79.45. (10)

2. Экспериментальное определение вероятности «» выхода альфа-частиц с поверхности ЭВЭЛа.

Для этого посредством детектора «3» и «4» соответственно, регистрируются альфа-частицы, выбранные в качестве моделирующих выход осколков деления из тонкого слоя урана, и гамма-кванты, вышедшие с соответствующих поверхностей исследуемого образца «1».

Затем по формуле (9) определяется средняя вероятность выхода альфа-частиц «» с поверхности измеряемого ЭВЭЛа.

3. По измеренному таким образом значению «» из зависимости А() (см. фиг.1 и формулу (10)) определяется конкретное значение переходной функции для данного ЭВЭЛа.

4. Эффективность ЭВЭЛа определяется по формуле (3).

Эксперимент по определению эффективности проводился при различном расположении исследуемого образца (толщина слоя урана-235 ˜ 2 мкм) относительно детектора (разная геометрия измерений): 1) образец удален от полупроводникового детектора альфа-частиц; 2) образец расположен вблизи детектора альфа-частиц.

Градуировочный эксперимент для определения константы «» проводился на образце ЭВЭЛа с толщиной слоя урана-235 менее 0.2 мкм. Для такого образца вероятность выхода альфа-частиц с поверхности известна [1] и равна 0.5.

Измерения константы «» для урана-235 дали следующие результаты: =1.27·10^-6 (образец расположен вблизи детектора альфа-частиц); =7.19·10^-6 (образец удален от детектора альфа-частиц).

Для случая удаленного от детектора альфа-частиц образца получено следующее значение вероятности выхода 0.359. Для образца, расположенного вблизи детектора, 0.363. Из сравнения видно, что получаемый результат фактически не зависит от геометрии измерений, как и должно быть.

По измеренному значению «» из зависимости, представленной на фиг.1, определялось значение переходной функции А() для данного образца. Согласно фиг.1 в нашем случае А()0.25.

Эффективность ЭВЭЛа определялась по формуле (3). Окончательно для исследуемого образца получено

0.09

Предел погрешности измерения величины «», оцененная по разбросу полученных результатов, составляет около 3%.

Общая погрешность определения эффективности по нашим оценкам не превышает 5%.

В заключение отметим, что данный способ позволяет просто и оперативно измерять эффективность ЭВЭЛов (в течение нескольких минут), обеспечивая при этом возможность контроля изменения эффективности ЭВЭЛ в зависимости от внешних факторов в процессе эксплуатации.

Список литературы

1. Казазян В.Т. и др. Физические основы использования кинетической энергии осколков деления в радиационной химии. Минск, «Наука и техника», 1972, стр.248.

2. Матьев В.Ю. Труды конференции “Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой”. – Обнинск, 1993, т.2, с.79.

3. Боровков В.В., Влох Г.В., Лажинцев Б.В. и др. Эффективность энерговклада в лазерах с накачкой осколками деления урана. – «Квантовая электроника», 22, №3 (1995).

Формула изобретения

Способ оценки эффективности энерговыделяющего элемента, содержащего слой делящегося материала, определяемой долей энергии, выносимой осколками деления из слоя, отличающийся тем, что в качестве непосредственно измеряемых частиц, моделирующих вынос энергии осколками деления из слоя делящегося материала, выбирают альфа-частицы, спонтанно испускаемые делящимся материалом в глубине слоя и с вероятностью выходящие из слоя наружу; рассчитывают модельную переходную функцию А(), учитывающую соотношение вероятностей выхода из слоя делящегося материала осколков деления и альфа-частиц; вместе с альфа-частицами регистрируют гамма-кванты, испускаемые делящимся материалом одновременно с альфа-частицами; определяют среднюю вероятность выхода альфа-частиц из слоя делящегося материала из эксперимента в соответствии с выражением

=·n’/n’,

где n’ – число зарегистрированных альфа-частиц;

n’ – число зарегистрированных гамма-квантов;

– градуировочная константа;

по измеренному значению из зависимости А() определяют конкретное значение переходной функции; определяют эффективность из выражения

=А(),

где – измеренное в эксперименте значение вероятности выхода альфа-частиц из слоя делящегося материала; А() – конкретное значение переходной функции, соответствующее измеренному в эксперименте значению вероятности выхода альфа-частиц .

РИСУНКИ