Патент на изобретение №2351953

(54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ В ПРИСУТСТВИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение при измерении плотности потока нейтронов в присутствии других видов излучений. Технический результат – расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата значения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения постоянно контролируют самим детектором нейтронов. При этом осуществляют измерения постоянного тока I, возникающего в детекторе нейтронов под действием гамма-излучения, значения которого используют: для определения и установки такого порога дискриминации, который обеспечивает максимальную эффективность детектора при мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, имеющей место в текущем цикле измерений; для определения степени снижения относительной эффективности детектора под действием гамма-излучения и приведения ее к максимально возможной; для определения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области регистрации ядерных излучений, а более конкретно к способам измерений плотности потока нейтронов (ППН) в присутствии других видов излучений, преимущественно жесткого гамма-излучения (ГИ), и может быть использовано во всех отраслях промышленности, связанных с делящимися материалами, для определения других, производных от ППН параметров, и обеспечения ядерной безопасности. Например, на предприятиях по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ), на которых широко используются приборы нейтронного контроля, – для определения концентрации и массы плутония; накопления и распределения плутония в оборудовании, выгорания ОЯТ; уровня растворов и твердых компонентов в специальных аппаратах, где нельзя применить другие методы измерения уровня; в нейтронной абсорбциометрии; в нейтронных методах контроля с использованием внешних источников излучений.

Классический способ регистрации ППН, применяемый с несущественными вариациями во всем мире, реализуется приборами, построение которых иллюстрируется функциональной блок-схемой на фиг.1. Подобная блок-схема приведена, например, в [Дуглас Райлли, Норберт Эсслин, Хэйстингс Смит, мл. и Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов: Пер. с англ. – М.: ЗАО “Издательство Бином”, 2000, – стр.409]. На ней, в отличие от схемы на фиг.1, нет источника высокого напряжения детектора. Но без него невозможно функционирование детектора. И о том, что такой источник подразумевается, свидетельствуют приведенные в той же книге блок-схемы включения газонаполненных детекторов (стр.42, 378), в которых источник высокого напряжения показан.

Резистор R, устанавливаемый между источником высокого напряжения и детектором, называется нагрузочным и согласующим. Он обеспечивает согласование между низким выходным сопротивлением источника высокого напряжения и высоким внутренним сопротивлением детектора.

Амплитуда импульсов, поступающих от детектора нейтронов, недостаточна для проведения над ними измерительных действий, поэтому необходимо их усиление. Эту функцию выполняют предусилитель и усилитель.

Функциональное назначение интегрального дискриминатора – пропускать только импульсы, образованные нейтронами, и отсекать шумы аппаратуры, электрические помехи и импульсы, образованные другими видами излучений. Импульсы на выходе дискриминатора для удобства их последующей регистрации нормируются по амплитуде и длительности.

Назначение пересчетного устройства – за заданное таймером время регистрировать количество импульсов, поступающих после дискриминатора, и определять таким образом скорость счета нейтронов (ССН), по которой затем, с учетом чувствительности детектора и порога дискриминации, определяют ППН в месте измерения.

Для осуществления классического способа регистрации нейтронов с помощью описанной схемы требуются обязательные процедуры, такие как установка значения высокого напряжения в соответствии с типом детектора и режимом его работы (например, пропорционального режима или режима коронного разряда), обеспечивающего максимальную эффективность детектора, установка порога дискриминации, обеспечивающего регистрацию только нейтронных импульсов, установка в таймере времени набора импульсов в соответствии с заданной статистической погрешностью.

Гамма-излучение является серьезным препятствием для регистрации нейтронов при измерениях ОЯТ, а также при контроле технологических параметров по нейтронному излучению растворов с ОЯТ, так как отношение числа гамма-квантов к числу нейтронов может достигать 10¹², и чувствительность детектора к гамма-излучению зачастую становится определяющим фактором.

Влияние ГИ на ССН является следствием двух основных процессов, происходящих в детекторе под действием ГИ.

Первый – образование ложных импульсов большой амплитуды, сравнимых по амплитуде с импульсами от нейтронов, за счет многократных гамма-гамма наложений. Поэтому, чтобы избавиться от их регистрации, устанавливают порог дискриминации несколько выше амплитуды импульсов от ГИ.

Второй процесс – падение коэффициента газового усиления под действием ГИ.

Если порог дискриминации всегда устанавливается не ниже амплитуды импульсов от ГИ, оба этих процесса приводят к уменьшению ССН, т.е. к уменьшению относительной эффективности ( определяется, как отношение ССН при данном пороге дискриминации U_Д к ССН при пороге дискриминации U_Д0 в отсутствие гамма-излучения). В первом случае это происходит за счет повышения порога дискриминации, когда не регистрируются нейтронные импульсы, амплитуда которых ниже установленного порога, а во втором – за счет уменьшения амплитуды нейтронных импульсов [В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ.- М.: Энергоатомиздат, 1989, – стр.67], [Дуглас Райлли, Норберт Эсслин, Хэйстингс Смит, мл. и Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов – стр.382-383], [А.И.Докучаев, ПТЭ, 1959, 6, стр.43].

При реализации рассмотренного способа регистрации нейтронов в присутствии ГИ, применяют различные приемы для защиты от него или уменьшения его отрицательного влияния.

Первый прием – защита от действия ГИ путем экранирования детектора свинцом.

Но он имеет недостатки. Для толстых (более 5 см) свинцовых экранов уменьшение эффективности регистрации нейтронов за счет увеличения расстояния между источником и счетчиком существенно превышает экспоненциальный фактор ослабления. Помимо этого, применение толстых свинцовых экранов нетехнологично, а в некоторых задачах ядерно-физического контроля противоречит условиям их успешного решения [В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. – М.: Энергоатомиздат, 1989, – стр.71]. В подавляющем большинстве случаев экран достаточной толщины нельзя разместить внутри контролируемой среды. Детектор приходится выносить за ее пределы, что, с одной стороны, не всегда возможно, а с другой, – приводит к потере чувствительности даже при использовании отражателя нейтронов. К тому же возможно нарушение избирательности к объекту контроля. Например, при выносе детектора за пределы контролируемой ступени экстракционного аппарата, он начинает регистрировать нейтронное излучение от других, рядом расположенных ступеней.

Второй прием – вместо детекторов нейтронов, обладающих высокой эффективностью, но имеющих низкую помехоустойчивость к ГИ, устанавливают детекторы, менее эффективные, но более помехоустойчивые к ГИ.

Недостаток такого подхода в том, что, хотя он и обеспечивает соблюдение ядерной безопасности за счет регистрации превышения заданных норм, но из-за низкой эффективности детектора часто не позволяет осуществлять текущий контроль за ходом технологического процесса. Это происходит, когда, например, вместо гелиевых счетчиков СНМ-18 используют сопоставимые по длине борные счетчики СНМ-11, помехоустойчивость которых к ГИ в 100 раз выше, но эффективность в 10 раз ниже, чем у СНМ-18. Этот прием не спасает и от возможных залповых выбросов гамма-излучателей. По крайней мере, требуется постоянное параллельное измерение мощности экспозиционной дозы (МЭД) ГИ в месте размещения детектора нейтронов. Это не только удорожает контроль, чаще всего просто невозможно разместить вместе детекторы нейтронов и ГИ.

Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип изобретения является способ регистрации нейтронов в присутствии гамма-излучения со всеми элементами классического способа и процедурами его осуществления, имеющий ту особенность, что, в условиях непостоянства МЭД ГИ, регистрация нейтронов проводится с постоянным порогом дискриминации, который должен быть несколько выше максимально возможной амплитуды импульсов от ГИ (U_Д>U_Дmax), соответствующей значению МЭД_max, выше которой амплитуда импульсов от ГИ перестает возрастать, что позволяет во всех случаях избавиться от ложных импульсов, возникающих за счет гамма-гамма наложений, и обеспечить тем самым регистрацию лишь нейтронных импульсов [А.И.Докучаев, ПТЭ, 1959, 6, стр.43].

Этот способ имеет недостатки. Во-первых, снижается относительная эффективность , даже в тех случаях, когда МЭД ГИ << МЭД_max. Если при этом ССН остается еще достаточной для определения контролируемого параметра, то снижение приводит лишь к возрастанию статистической погрешности, поскольку за заданное время будет набираться меньшее количество импульсов. Если же ССН изначально невелика, например, при контроле малых концентраций плутония, то снижение может привести к недостатку чувствительности по отношению к контролируемому параметру и измерение его станет невозможным. Во-вторых, работа при максимальном пороге дискриминации может привести к нарушениям технологического процесса и ядерной безопасности, возможность которых следуют из рассмотрения следующей ситуации: измерения ППН проводятся при высоких значениях МЭД ГИ (МЭД_n) но, как правило, не превышающих предельных значений МЭД ГИ (МЭД_{n np}), установленных техническими условиями на детектор нейтронов; относительная эффективность достаточна для осуществления контроля и его погрешность за счет колебаний коэффициента газового усиления не превышает допустимой; постоянный контроль за МЭД ГИ в месте расположения детектора нейтронов отсутствует. Измерения возможно проводить до тех пор, пока МЭД_n не превышает МЭД_{n np}. Но случаи превышения бывают. Они возникают, например, в конце кампании переработки ОЯТ при постепенном накоплении гамма-излучающих взвесей на границе раздела фаз (водной и органической) в экстракционных аппаратах и при образовании на их дне гамма-излучающих осадков. Не исключаются также и залповые (за время, в десятки раз меньшее, чем время обычного накопления) выбросы гамма-излучателей. Само по себе их появление и накопление не оказывают заметного отрицательного влияния на качество технологического процесса и его безопасность, так как водный и органический растворы в точках размещения детекторов нейтронов остаются “чистыми” (без гамма-излучателей). Но они нарушают работу нейтронных приборов, по которым ведется технологический контроль, – происходит падение коэффициента газового усиления счетчика, вызывая снижение ССН при неизменном значении контролируемого параметра, например, концентрации плутония. Появляется недопустимо высокая систематическая погрешность в сторону занижения, которая тем выше, чем больше превышение МЭД_n над МЭД_{n np}. Оператор, пытаясь “восстановить” текущее значение параметра, вызывает отклонение технологического процесса от нормы, не подозревая об этом, что, в свою очередь, может привести не только к браку, но и к опасному нарушению условий, обеспечивающих ядерную безопасность технологического процесса.

Техническими задачами заявляемого способа являются:

– устранение отрицательных последствий, обусловленных действием ГИ, при регистрации нейтронного излучения за счет того, что при каждом измерении устанавливается порог дискриминации, соответствующий текущему значению МЭД ГИ, и учитывается степень падения коэффициента газового усиления под действием ГИ;

– расширение области применения детекторов нейтронов как путем использования их при значениях МЭД ГИ, значительно превышающих предельно допустимые, так и для измерений МЭД ГИ самими детекторами нейтронов.

Поставленные задачи решаются следующим способом.

Проводят измерения постоянного тока I, возникающего в детекторе нейтронов под действием ГИ. Значения этого тока при предварительной градуировке сопоставляют с независимо измеренными значениями МЭД ГИ, определяют степень деформации интегральных спектров импульсов детектора, вызываемой ГИ, и находят соответствующие зависимости, которые подробно рассмотрены ниже. Эти зависимости позволяют в дальнейшем, в ходе проведения текущих измерений, выбирать оптимальный режим регистрации нейтронных импульсов по результатам измерений тока I и приводить полученную в условиях воздействия ГИ (I>0) скорость счета нейтронов N_I, к значению скорости счета N_I0, имеющую место в отсутствие ГИ (I=0).

Таким образом, постоянно измеряемый ток I становится единственно правильным критерием количественной оценки отрицательного воздействия ГИ на эффективность регистрации нейтронов, т.е. степени ее снижения, происходящей за счет увеличения порога дискриминации (для отсечки импульсов от гамма-гамма наложений) и снижения коэффициента газового усиления, вызывающего деформацию интегрального спектра нейтронных импульсов. А количественная оценка позволяет, в свою очередь, компенсировать снижение эффективности путем восстановления исходного интегрального спектра, т.е. приводить, как сказано выше, зарегистрированную скорость счета N_I к значению N_I0 и, как свидетельствуют опыты, применять детекторы нейтронов при МЭД ГИ, в десятки раз превышающих предельно допустимые значения, установленные для каждого типа детектора. Кроме того, только измерения тока I позволяют обеспечить полную автоматизацию измерений, а также в любой точке нейтронного контроля получать информацию о другом важном технологическом параметре – мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, используя зависимость I=f (МЭД ГИ).

Ток I можно определять, измеряя, например, падение напряжения на резисторе R, показанном на фиг.1.

Авторами экспериментально установлено, что наивысшей чувствительностью по току к ГИ счетчик обладает при напряжении питания U_B, более высоком, чем для пропорционального режима U_П, и меньшем, чем напряжение зажигания коронного разряда U_K. При этом напряжении начальный ток в отсутствие ГИ остается мало значимым и им можно либо пренебречь, либо принять его за точку отсчета, а ток I значительно выше (у счетчиков СНМ-16 и СИМ-18 в четыре раза), чем в пропорциональном режиме.

Поэтому в предлагаемом способе, для обеспечения максимальной эффективности, как при регистрации ССН, так и тока I предлагается использовать тактовую процедуру измерений. В первом такте устанавливается напряжение питания счетчика U_BП, при котором ток от воздействия ГИ пренебрежимо мал, и настраивали “нуль” схемы измерения тока. Во втором такте устанавливается напряжение питания счетчика U_ПBK, при котором обеспечивается максимальная эффективность регистрации тока I, и производится его измерение. По найденной при предварительной градуировке зависимости порога дискриминации от тока I, U_Д=f(I), определяется и фиксируется его значение. В третьем такте устанавливается напряжение питания счетчика (U_K – для коронного или U_П – для пропорционального режимов), при котором следует регистрировать нейтронное излучение, измеряется ССН и осуществляется корректировка ее значения по найденной при предварительной градуировке зависимости относительной эффективности от тока I, =f(I). При необходимости могут быть введены дополнительные такты с другими режимами работы, например, для осуществления диагностики регистрирующей аппаратуры по нерабочей ветви интегрального спектра импульсов.

Упомянутые зависимости получены авторами для гелиевых счетчиков СНМ-16 и СНМ-18. Поскольку принципиально они друг от друга не отличаются (с учетом различия между самими счетчиками), то приводятся данные только по СНМ-16.

На фиг.2 приведена функциональная блок-схема классического способа регистрации ППН с включенной в нее схемой измерения тока I, выполненной на основе дифференциального операционного усилителя.

На фиг.3 приведена зависимость I=f (МЭД ГИ), полученная при U_ПBK. Эта зависимость, после обращения ее к виду МЭД ГИ=f(I), позволяет определять МЭД ГИ.

На фиг.4 представлены интегральные спектры импульсов (дискриминационные характеристики), полученные в смешанных полях нейтронного и гамма излучений в режиме стабильного коронного разряда. Данные измерений в отсутствие нейтронного источника при различных МЭД ГИ и соответствующих им значениях тока I (нерабочие ветви – шумы короны и гамма-гамма наложений) показаны пунктиром. Данные измерений с нейтронным источником при постоянной плотности потока нейтронов и различных значениях I (МЭД ГИ) показаны сплошными линиями. Характеристики наглядно отображают рассмотренный выше механизм действия ГИ: рост шумов от гамма-гамма наложений, сопровождающийся сдвигом нерабочей ветви и вызывающий необходимость увеличения порога дискриминации, достижение их максимума, а затем спад (обратный сдвиг нерабочей ветви) при повышенных значениях I (МЭД ГИ); деформацию рабочих ветвей интегральных спектров за счет падения коэффициента газового усиления.

Пороги дискриминации для каждого значения I (МЭД ГИ) находили при скорости счета шумов (нерабочая ветвь, экстраполированная на ось дискриминации) N_Ш=1 с^-1. Степень сдвига нерабочей ветви (уровня шумов короны и гамма-гамма наложений), построена в виде зависимости К_i=U_Дi/U_Д0=f(I), приведенной на фиг.5, где U_Дi и U_Д0 – пороги дискриминации для N_Ш=1 с^-1 соответственно при различных значениях I_i (МЭД ГИ) и в отсутствие I (МЭДГИ).

При всех порогах дискриминации U_Дi по интегральным спектрам фиг.4 находили значения ССН – N_Дi и строили график изменения относительной эффективности счетчика под действием ГИ в виде зависимости и =N_Дi/N₀=f(I). Этот график приведен на фиг.6. Он получен при использовании зависимости К_i=U_Дi/U_Д0=f(I) и рассмотренной выше тактовой процедуры работы: установки “нуля” схемы измерения тока при U_BП, в данном случае U_B=1300 В; измерения тока I_i при напряжении питания счетчика U_ПBK, в данном случае U_B=1740 В, определения и фиксирования порога дискриминации U_Дi=K_i·U_Д0; фиксирования напряжения питания счетчика для измерения ССН, в данном случае U_K=2000 В, и определения ССН. Важно отметить, что время установки “нуля” и измерения тока I_i не превышает 10 с и практически не оказывает влияния на статистическую погрешность определения ССН, так как занимает не более 10% от общего времени измерения, которое, в зависимости значений ССН, колеблется в пределах от 100 до 1000 с.

Зависимость =N_Дi/N₀=f(I) на фиг.6 свидетельствует о возможности использования счетчика при МЭД ГИ, значительно превышающей предельно допустимое значение. Работоспособность счетчика расширяется, по крайней мере, до 1000 Р/ч (в 20 раз выше установленного для счетчика СНМ-16 предельного значения – 50 Р/ч), несмотря на снижение эффективности, поскольку это снижение может быть скомпенсировано. Например, при МЭД ГИ, равной 1000 Р/ч, ток I=1,2·10^-6 А (зависимость на фиг.3) и

N_Дi=68 с^-1 (ССН на фиг.4). Согласно графику на фиг.6, K_N=N_Дi/N₀=0,38, т.е. ССН при МЭД ГИ, равной = 1000 Р/ч, в 2,6 ниже по сравнению с максимально возможной (исходной), имеющей место в отсутствие гамма-излучения. Отсюда получаем исходную скорость счета нейтронов N₀=2,6·N_Дi=177 с^-1. Таким образом реализуется максимально возможная эффективность детектора при данной плотности потока нейтронов. Естественно, чтобы не увеличилась статистическая погрешность, необходимо пропорционально, т.е. в 2,6 раза, увеличить время измерения (набора суммарного количества импульсов).

Формула изобретения

1. Способ регистрации нейтронов в присутствии других видов излучений, преимущественно жесткого гамма-излучения, включающий установку значения высокого напряжения в соответствии с типом детектора и режимом его работы; установку постоянного порога дискриминации, который должен быть несколько выше максимально возможной амплитуды импульсов от гамма-излучения, отличающийся тем, что дополнительно проводят измерения постоянного тока I, возникающего в детекторе нейтронов под действием гамма-излучения, значения которого по найденным при предварительной градуировке зависимостям – тока I от мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, рабочего уровня дискриминации от тока I, степени деформации интегральных спектров импульсов детектора нейтронов от тока I – используют для определения и установки такого порога дискриминации, который обеспечивает максимальную эффективность детектора при мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, имеющей место в текущем цикле измерений для определения степени снижения относительной эффективности детектора под действием гамма-излучения и приведения ее к максимально возможной для определения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют тактовую процедуру измерений: в первом такте устанавливают максимальное напряжение питания счетчика, при котором ток I близок к нулю, и настраивают “нуль” схемы измерения тока I; во втором такте устанавливают напряжение питания счетчика, обеспечивающее максимальную эффективность регистрации тока I, измеряют его значение и фиксируют порог дискриминации; в третьем такте устанавливают напряжение питания счетчика, при котором следует регистрировать нейтронное излучение, и измеряют скорость счета нейтронов.

РИСУНКИ