Основные методы спектрометрии нейтронного излучения
Спектрометрия нейтронного излучения представляет собой сложную и до конца ещё не решённую проблему. Наибольшее применение в радиационной физике и ядерной энергетике нашли следующие методы:
1 Метод времени пролета (энергетический диапазон - от энергии тепловых нейтронов до 10-16 МэВ).
2 Метод протонов отдачи (энергетический диапазон - от 20 кэВ до 12 МэВ).
3 Метод шаровых замедлителей (энергетический диапазон - от энергии тепловых нейтронов до 10-20 МэВ)
4 Метод активационных детекторов (энергетический диапазон - от энергии тепловых нейтронов до 12-15 МэВ)
Рассмотрим эти методы более подробно.
Времяпролётные методы. Время пролётный метод основан на прямом измерении скорости нейтронов путём измерения времени пролёта ими определённой пролётной базы длиной от десятков до сотен метров. В этом методе должен использоваться импульсный источник нейтронов, излучающий очень короткие импульсы нейтронов. Импульсным источником нейтронов может служить либо ядерный реактор с электромеханическим прерывателем нейтронного потока, выходящего из активной зоны реактора по вакууммированному каналу, либо мишень из материала с небольшой энергией связи нейтронов с ядром (чаще всего используется бериллий), которую бомбардирует пучок протонов, разогнанных до высоких энергий ускорителем протонов (поскольку протоны - заряженные частицы, то они могут отклоняться электрическим или магнитным полем, за счёт чего пучок протонов может на очень короткий интервал времени отклоняться на мишень, выбивая из неё нейтроны). В обоих случаях момент старта для всех нейтронов пачки одинаков, а момент финиша для каждого нейтрона фиксируется детектором, устанавливаемым в конце вакууммированного канала. Импульсы от детектора поступают на временной анализатор, который и определяет распределение импульсов по скорости. Каждому временному каналу соответствуют нейтроны определённой энергии, которую
можно точно подсчитать, поделив измеренный интервал времени между моментами старта и финиша отдельных нейтронов на известную длину пролётной базы.
Можно упомянуть ещё об одном прямом методе измерения скорости нейтронов - гравитационном, в котором используется источник непрерывного нейтронного излучения (ядерный реактор). Суть его состоит в использовании искривления траекторий движения нейтронов в длинном вакууммированном канале под действием силы тяжести Земли. Поскольку нейтроны, вылетающие из источника, под действием силы тяжести движутся по параболическим траекториям, соответствующим определённым энергиям, то создание условий для выделения одной траектории приведёт к тому, что будут регистрироваться только нейтроны определённой энергии. Учитывая, что в пространстве через три точки можно провести лишь одну параболу, меняя положения коллиматоров с узкими горизонтальными щелями, устанавливаемых в этих точках (первый вблизи источника нейтронов, второй в апогее траектории и третий в конце пролётной базы) можно измерять распределение нейтронов по скоростям, т. е. измерять их энергетический спектр.
Спектрометры нейтронов по времени пролёта решают много физических задач. К ним относятся: измерение парциальных сечений рассеяния и поглощения нейтронов, а также реакций деления, изучение спектров захватного γ-излучения и т. д., но его никак нельзя считать прибором, предназначенным для измерений спектров произвольных нейтронных потоков.
Метод активационного анализа. Активационный метод, состоит в возбуждении искусственной радиоактивности в специальных веществах-индикаторах, помещаемых на определённое время в измеряемый нейтронный поток. Суть его заключается в том, что определённые вещества (называемые индикаторами) под действием нейтронов превращаются в радиоактивные изотопы, которые распадаются с выделением заряженных частиц и гамма-излучения. При этом число распадов в единицу времени (активность) таких радиоактивных ядер при прочих равных условиях пропорционально потоку нейтронов, прошедшему через это вещество. Если одновременно активировать в исследуемом нейтронном потоке несколько индикаторов, имеющих различные зависимости чувствительности к нейтронам разных
22 энергий, то, зная количество ядер в каждом индикаторе, сечения их взаимодействия с нейтронами различных энергий, время экспозиции их в нейтронном потоке и период полураспада образующихся в результате реакций с нейтронами радиоизотопов, можно вычислительным путём получить энергетический спектр исследуемого нейтронного потока.
Активационный метод имеет ряд преимуществ перед другими методами измерения энергетического спектра нейтронов. Путём выбора вещества индикатора можно в широких пределах варьировать его чувствительность к нейтронам разных энергий. Индикатор может быть изготовлен малых размеров и их наборы могут помещаться в самых труднодоступных местах ядерных установок (например, в активную зону ядерного реактора), куда другой детектор поместить невозможно. Кроме того, можно обеспечить условия, при которых индикатор практически не влияет на поток нейтронов в измеряемом месте, что также трудно выполнить другими методами регистрации нейтронов. Индикаторы не чувствительны к гамма-излучению и могут применяться при большом гамма-фоне. Облучение и измерение активности индикатора разделены во времени и пространстве. Активность облученных индикаторов измеряют с помощью счётчиков Гейгера-Мюллера и других детекторов излучения в местах, удалённых от возможных источников излучения, которые создают фон. Однако этот метод не даёт быстрой информации о нейтронном излучении. Он применяется при измерении постоянных во времени потоков нейтронов и непригоден, например, при пуске и остановке ядерного реактора. Процедуры измерений достаточно сложны и требуют высококвалифицированного персонала. Использованные индикаторы нельзя использовать вторично.
Для удобства проведения измерений активности облучённых нейтронами индикаторов желательно, чтобы период полураспада образовавшихся радиоактивных изотопов лежал в пределах от десятков минут до нескольких суток (при слишком малом периоде полураспада за время между экспозицией индикатора в нейтронном потоке и измерением наведённой активности большая часть активированных ядер успеет распасться, а при слишком большом периоде полураспада для измерения наведённой активности понадобиться большое время, ввиду малой интенсивности
23 излучения индикатора). В принципе индикаторы можно использовать в качестве приборных детекторов. Но в этом случае желательно, чтобы их период полураспада был как можно меньше.
В этом случае, в процессе облучения индикатора нейтронами в нём устанавливается постоянное значение активности насыщения, пропорциональное плотности нейтронного потока на чувствительном участке спектра. Это, в принципе, даёт возможность измерения плотности нейтронного потока в режиме реального времени, т.е. без извлечения индикатора из зоны облучения, а за время между двумя последовательными измерениями все образовавшиеся радиоактивные ядра должны успеть распасться.Метод протонов отдачи. В большинстве применяемых методов регистрации нейтронов используется процесс упругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов водорода (n, p).В этом процессе нейтрон отдаёт часть своей энергии протону. Регистрация становится возможной благодаря производимой протоном ионизации и возбуждению соседних атомов.
Преимущество использования процесса рассеяния (n, p) состоит в том, что его эффективное сечение сравнительно велико, а зависимость от энергии хорошо известна. Серьезным недостатком является то, что при одной и той же энергии нейтрона Enэнергия протона может принимать значения от 0 до En.Это создаёт определённые сложности при обработке результатов измерения. Кроме того, выделившаяся в процессе торможения протонов отдачи в веществе детектора энергия не может быть выше энергии породивших эти протоны нейтронов, что не позволяет регистрировать нейтроны малых энергий (амплитуды выходных импульсов детекторов от которых очень малы и лежат в области шумов детектора). Поэтому такие детекторы могут быть использованы, в основном, для регистрации быстрых нейтронов (с энергиями выше 200 кэВ) [30, 31].
Протоны отдачи вызывают в веществе детектора сцинтилляции - световые вспышки, амплитуда которых однозначно связана с энергией протона так называемой функцией световыхода P(Ep).Для органических сцинтилляторов P(Ep)явля-
24 ется нелинейной функцией, причём в органических кристаллах (стильбен, антрацен, нафталин и др.) наблюдается зависимость световыхода от направления движения протона относительно главной кристаллографической оси[32].
Связь между аппаратурным спектром протонов отдачи и энергетическим спектром порождающих их нейтронов можно выразить через функцию отклика детектора. Реальная форма спектральной линии - аппаратурный спектр от моноэнер- гетического потока с единичной плотностью, который принято называть функцией отклика детектора - искажается из-за краевого эффекта (верхняя граница амплитудного спектра не вертикальна, а спадает более плавно). Это происходит из-за неполного торможения протонов в объёме детектора (часть протонов, рождающихся в сцинтилляторе близко к его краям, вылетает за пределы сцинтиллятора, не полностью отдав свою энергию, а значит и амплитуда импульсов от них будет меньше). Краевой эффект проявляется не только в размытости верхней границы аппаратурного спектра от моноэнергетических нейтронов, но и в подъёме спектра в области малых энергий (вылетевшие в результате рассеяния на ядрах атомов водорода за пределы сцинтиллятора нейтроны, сохранившие часть своей первоначальной кинетической энергии идентифицируются как нейтроны меньших энергий).
В сцинтилляционных детекторах помимо уже рассмотренных искажений функций отклика возникают дополнительные искажения за счёт нелинейности зависимости световыхода детектора от энергии протонов отдачи.
Многошаровой метод. Одним из наиболее широко применяемых методов измерения спектров нейтронов является метод сфер Боннера. Он был впервые предложен в США ещё в 1960 г. [33]. Спектрометр Боннера представляет собой систему из нескольких шаровых замедлителей нейтронов, в центре которых помещен детектор тепловых нейтронов.
Принцип спектрометрии нейтронов с помощью системы шаровых замедлителей основан на зависимости степени замедления нейтронов (уменьшении их энергии) при прохождении через водородсодержащее вещество за счёт многократного рассеяния ядрами атомов водорода от толщины замедлителя. Для определения
спектральной плотности потока нейтронов φ(E)с помощью спектрометра, состоящего из М шаровых замедлителей, необходимо найти решение системы уравнений [34]:
где Sm(E)- функция отклика детектора в зависимости от энергии падающего излучения;
Nm- число импульсов, зарегистрированное детектором с m-ым замедлителем; w - верхняя граница энергетического распределения нейтронов в измеряемом потоке.
Процедура измерений состоит в проведении последовательных измерений потока нейтронов голым детектором и тем же детектором, на который последовательно надеваются шары-замедлители с разной толщиной стенок. В разных модификациях спектрометра используется от 4 до 12 сфер-замедлителей диаметрами от 5 см до полуметра. Результаты таких многократных измерений обрабатываются компьютером с целью восстановления по ним энергетического спектра измеряемогонейтронного потока. Основные сложности возникают при определении спектральных характеристик детектора с каждым из шаров и при вычислительном восстановлении спектра измеряемого потока по результатам измерений. Описание одного из многошаровых нейтронных спектрометров, построенных в РФ приведено в [35], а детальный анализ возникающих неопределённостей при измерениях с использованием таких спектрометров - в [36].
Таким образом, имеется достаточно ограниченное количество методов спектрометрии нейтронного излучения, позволяющих их использовать в приборном исполнении. Если отбросить прямые методы измерения энергии нейтронов, которые не только весьма далеки от приборной реализации, но и вообще не могут использоваться для измерений нейтронных потоков от произвольных источников, то остаётся лишь три возможности [37, 38].
1 Восстановление спектра нейтронного потока по прямым измерениям энергии ядер отдачи (главным образом используются реакции с выделением протонов отдачи).
2 Восстановление спектра измеряемого нейтронного потока путём совместной вычислительной обработки результатов его измерений с помощью нескольких детекторов, избирательных к различным участкам энергетического спектра измеряемого потока.
3 Принудительное последовательное изменение конфигурации спектра измеряемого нейтронного потока путём погружения одного и того же детектора в замедлитель нейтронов на различную глубину с последующим вычислительным восстановлением формы исходного спектра.
Первый путь в настоящее время используется в узкополосных спектрометрах на основе ядер отдачи с использованием в качестве детекторов водородных ионизационных камер, водородных, гелиевых и метановых пропорциональных счётчиков и сцинтилляционных детекторов [39].
Второй путь широко используется в активационном анализе. Основным его недостатком является трудоёмкость измерительных процедур и низкая производительность. Это лабораторный метод, и его реализация требует, как правило, нескольких суток для проведения одного цикла измерений и должна осуществляться высококвалифицированным персоналом. Но он привлекателен достаточно широким выбором веществ-индикаторов с разнообразными зависимостями сечений реакций с нейтронами от энергии последних и достаточно точным знанием их спектральных характеристик [40].
Третий путь реализован в многошаровом спектрометре Боннера. В спектрометре Боннера при поочерёдном погружении одного и того же детектора в сферы с резко отличающейся толщиной стенки спектр потока, доходящего до детектора будет различным, что равнозначно изменению спектральной чувствительности системы детектор - шаровой замедлитель нейтронов. Дополнительное использование кадмиевого фильтра ещё более подчёркивает эти отличия. Но и на этом пути уже виден предел. Использовать большее число шаров для повышения разрешающей
27 способности уже нет смысла, т. к. при промежуточных размерах сфер-замедлителей нейтронов изменения чувствительности от шара к шару будут незначительными, а их отклики на измеряемый нейтронный поток будут тесно коррелированными, что приведёт к неустойчивости решения восстановления спектра. К тому же это ещё больше усложнит всю процедуру измерений.
Практически все известные реализации этих методов либо не могут использоваться в режиме реального времени (активационный и многошаровой методы), либо имеют недостаточное энергетическое разрешение и ограниченный энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков (методы, использующие протоны отдачи).
Таким образом, общий принцип построения спектрометрического радиометра должен состоять в совместной вычислительной обработке сигналов от многодетекторного блока детектирования с целью восстановления энергетического спектра измеряемого потока нейтронов, состоящего из оптимально подобранного набора детекторов с селективной чувствительностью в различных областях энергетического спектра нейтронов, совместно охватывающих весь энергетический диапазон измеряемых потоков.
При этом в основу алгоритма восстановления спектра не должна закладываться какая-то математическая модель спектра, определяющая его форму. Только в этом случае прибор будет способен достоверно измерять нейтронные потоки с любыми формами энергетического спектра, а значит, правильно вычислять и интегральную плотность потока, и все дозовые характеристики.
Очевидно, что точность восстановления спектра и математическая модель, по которой осуществляется это восстановление, будут зависеть от состава и степени оптимальности подбора детекторов в блоке детектирования. А это значит, что для каждого набора детекторов должна разрабатываться своя математическая модель восстановления спектров. Учитывая нелинейность и достаточную сложность спектральных функций чувствительности используемых детекторов и высокую вариабельность формы спектров измеряемых потоков нейтронов, надежды на воз-
можность получения математической модели восстановления спектров аналитическим путём становятся весьма призрачными. Следовательно, остаётся лишь один путь - получение такой модели статистическими методами по обучающей выборке предъявляемых на вход системы заранее известных спектров нейтронных потоков всевозможных видов. Экспериментальное получение необходимой статистически достоверной обучающей выборки нейтронных потоков с различными и заранее известными спектрами сопряжено с большими трудностями (этим и можно объяснить тот факт, что этот путь до сих пор не был реализован). Поэтому на первом этапе может использоваться путь имитационное моделирование потоков нейтронов со спектрами разнообразной формы и самого блока детектирования (модель которого будет состоять из имитационных моделей спектральных функций всех детекторов, входящих в блок детектирования), а также и самой системы восстановления спектров. Именно такое концептуальное решение было запатентовано [41] и обосновано в [42]. При этом система вычислительного восстановления спектров измеряемых потоков должна обладать высокой адаптацией к вариациям их формы.
Для того чтобы определиться в выборе набора детекторов необходимо иметь возможность получать нейтронные детекторы с различными спектральными характеристиками, определять эти характеристики расчётным или экспериментальным путём, а далее искать наиболее эффективные методы вычислительного восстановления спектра нейтронного излучения по откликам этих детекторов.
1.4
Еще по теме Основные методы спектрометрии нейтронного излучения:
- Концепция построения спектрометра-дозиметра нейтронного излучения реального времени
- ЛОГВИНОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск, 2019, 2019
- Основные виды нейтронных детекторов
- Особенности детектирования нейтронного излучения
- Методы расчёта спектральных характеристик нейтронных детекторов
- Выбор энергетических интервалов, для которых определяются усреднённые значения спектральной плотности нейтронного излучения
- ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
- ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ И ПОДБОР ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
- Предлагаемый метод экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов
- 4.3.3 Определение спектральной чувствительности нейтронных детекторов с низкой чувствительностью к тепловым нейтронам
- 4.3.1 Теоретические основы предлагаемого метода
- Сеничкина Ольга Авенировна. Методы оценивания сформированности иноязычной коммуникативной компетенции студентов-психологов (на материале английского языка). Диссертация, СПбГУ., 2016
- ГЛАВЕ 4 ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ НЕЙТРОННЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНООБРАЗНОЙ ФОРМОЙ СПЕКТРОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
- Исследования спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с помощью моделирования методом Монте-Карло
- Первичные источники нейтронов
- Исследование способов создания опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров