Метрология нейтронного излучения. Учебное пособие

Используются также источники с радием 226Ra и америцием 241Am. Работа с источниками с 226Ra небезопасна из-за крайне высокоинтенсивного сопутствующего гамма-излучения.

Конструктивно (α, n) источники представляют собой тщательно перемешанную и спрессованную смесь радионуклида — альфа-излучателя — с бериллием, возможны и интерметаллические соединения. Необходимость таких требований обусловлена очень малым пробегом альфа-частиц в веществе. Данная смесь помещается в герметичный контейнер из нержавеющих сталей.

Характеристики некоторых (α, n) источников приведены в табл. 1.

Источники нейтронов на основе (γ, п) реакции. При взаи-

модействии гамма-излучения с атомами энергия гамма-кванта иногда передается ядру, ядро возбуждается и испускает нейтрон, переходя в основное состояние. При этом энергия гамма-кванта должна превышать удельную энергию связи нейтрона в ядре. Ввиду того, что энергия гамма-квантов радиоактивных веществ редко превышает 3 МэВ, (γ, п) реакция практически может быть

осуществлена лишь в бериллии (Еγ > 1,67 МэВ) и дейтерии

(Еγ > 2,25 МэВ).

В качестве γ-излучателей для осуществления этих реакций используются 266Ra, 124Sb, 24Na. Основные характеристики (γ, п) источников приведены в табл. 2.

11

Конструктивно такие источники состоят из сферической ампулы, в которой содержится гамма-излучатель. Ампула помещена в центр сферы из бериллия или в контейнер с тяжёлой водой. Нейтроны из этих источников (фотонейтроны) моноэнергетичны. Поток нейтронов мал — не более 5∙10 с–1.

Источники нейтронов спонтанного деления ядер. Совре-

менные технологии позволяют получать трансурановые элементы в достаточном для нужд практики количестве. В качестве источников нейтронов чаще всего применяется 252Cf.

Максимальный поток нейтронов такого источника 1010 с–1, энергетический спектр нейтронов — спектр деления, средняя энергия нейтронов 1,9 МэВ.

Основные характеристики источников нейтронов спонтанного деления указаны в табл. 3.

12

2.3. Ядерные физические установки — источники нейтронов

Источниками нейтронов могут служить ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы — ядерные физические установки (ЯФУ).

Ускорители заряженных частиц — источники нейтронов. Ускорители как источники нейтронов имеют преимущество

перед радионуклидными источниками: высокий поток нейтронов, получение моноэнергетических нейтронов в широком интервале энергий.

Из всего многообразия ядерных реакций в рамках данного пособия рассмотрим наиболее часто используемые реакции:

Первые две реакции реализуются на нейтронных генераторах. Современные нейтронные генераторы типа НГМ-24, НГ-12 и другие недороги, имеют высокий поток нейтронов (108–1012 с–1), обеспечивают получение моноэнергетических нейтронов с энергией 2,5 МэВ (для первой реакции) и 14 МэВ (для второй).

Нейтронные генераторы используются для градуировки и поверки радиометрических и дозиметрических СИ.

Реализация двух следующих реакций возможна на ускорителях протонов. Электростатические ускорители (Ван-де-Грааф) наиболее стабилизированы по энергии ускоряемых протонов и поэтому чаще всего используются для реализации (р, n) реакций. С помощью этих реакций получают моноэнергетичные нейтроны в интервале энергий 30 кэВ – 3 МэВ. Из-за высокой стоимости и малой распространенности использование таких источников нейтронов в метрологической практике невелико.

Ядерный реактор — источник нейтронов. Ядерные реак-

торы как источники энергии прочно вошли в нашу жизнь. Измерение нейтронных ФВ в активной зоне реактора и за ее пределами диктуется необходимостью практики. Так как ни один из других типов источников нейтронов не может сравниться по интенсивности нейтронного излучения в реакторе, сам реактор используется в метрологической практике как источник нейтронов, как

13

носитель мер различных нейтронных ФВ. Плотности потоков нейтронов в реакторах достигают 1014–1015 см–2∙с–1, а флюенс нейтронов для различных конструкций активной зоны 1020–1022 см–2. Все это требует особого подхода в вопросах метрологического обеспечения нейтронных измерений на ЯФУ.

ГЛАВА 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕЙТРОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Принципы и устройства регистрации нейтронного излучения

Регистрация нейтронного излучения возможна лишь с помощью вторичного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов с веществом детектора. Вторичное излучение в свою очередь вызывают в среде детектора различные эффекты, подлежащие регистрации. Детектор — устройство, в котором происходит преобразование энергии нейтронного излучения в вид, удобный для регистрации. По метрологической классификации детектор — измерительный преобразователь, выход с которого недоступен для непосредственного восприятия, поэтому он применяется в совокупности с измерительной аппаратурой.

По принципу преобразования энергии нейтронного излучения выделяются:

ионизационные детекторы, в которых преобразование энергии нейтронного излучения происходит за счет ионизации атомов среды детектора (ионизационные камеры, пропорциональные и газоразрядные счетчики, трековые и полупроводниковые детекторы);

радиолюминесцентные детекторы, в которых энергия нейтронного излучения затрачивается на возбуждение атомов вещества детектора с последующим излучением квантов видимого света (сцинтилляционные, термолюминесцентные детекторы); зарядовые детекторы, в которых энергия нейтронов преоб-

разуется в энергию электрического заряда; активационные детекторы, в которых энергия нейтронов

тратится на ядерную реакцию, в результате чего образуется новый радиоактивный изотоп.

14

Основными методами регистрации нейтронов являются: метод регистрации ядер отдачи; метод регистрации заряженных частиц, образовавшихся в

нейтронных реакциях; метод регистрации актов деления ядер нейтронами;

метод измерения активности возникших в результате активации нейтронами ядер детектора.

В методе регистрации ядер отдачи детектированию подлежат протоны отдачи, возникающие при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода. Метод реализуется главным образом в газовых ионизационных и сцинтилляционных детекторах и используется для регистрации промежуточных и быстрых нейтронов.

Метод регистрации заряженных частиц применяется преимущественно в тепловой области. Наиболее широко используе-

мая реакция

10В + п → 7Li + 4Не

реализуется в пропорциональных газовых счетчиках, в сцинтилляционных детекторах, в ППД (полупроводниковых детекторах). Пропорциональные счетчики наполняются газом, обогащенным изотопом 10В, или на внутреннюю стенку корпуса счетчика наносят тонкий слой твердого соединения бора (карбид бора), который служит радиатором.

Возможно использование других реакций:

6Li (n, α)3Т; 3Не (n, p)3Т.

Зарядовые детекторы также основаны на регистрации заряженных частиц из ядерных реакций. Но это не мгновенные заряженные частицы — продукт ядерной реакции, а бета-частицы, испускаемые ядрами изотопов, возникших при активации ядер детектора нейтронами.

Деление тяжелых ядер нейтронами широко используется для регистрации и тепловых, и быстрых нейтронов. Тяжелые элементы, такие, как 235U, 239Рu, применяются при регистрации тепловых нейтронов. Для регистрации быстрых нейтронов используются вещества, испытывающие деление при захвате нейтронов с энергией выше некоторого порога: 238U, 232Th. Этот метод реализуется в основном в ионизационных камерах, трековых детекторах.

Активационный метод основан на измерении активности после выдержки детектора в нейтронном поле. Процесс образова-

15

ния радиоактивного изотопа в нейтронном поле именуется активацией. В качестве детекторов используются металлические фольги, интерметаллические соединения.

3.2. Метрологическое обеспечение нейтронных измерений

Задача метрологического обеспечения нейтронных измерений — обеспечение единообразия мер и согласуемости результатов нейтронных измерений, получаемых с помощью различных методов и средств измерений (СИ) с необходимой точностью, разными потребителями. Метрология нейтронного излучения — отраслевое направление метрологии. Техническую основу метрологического обеспечения составляют: государственные эталоны в области нейтронных измерений; система передачи размера единиц от эталонов к рабочим СИ; совокупность всех СИ, средств их создания, ремонта, техобслуживания; совокупность стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, средств их создания.

В области нейтронных измерений действуют три государственных эталона: первичный эталон единицы потока и плотности потока нейтронов (ГОСТ 8.031–82), специальный эталон единицы плотности потока и флюенса нейтронов на ЯФУ (ГОСТ 8.105–80) и первичный эталон единицы мощности поглощенной и эквивалентной доз нейтронного излучения (ГОСТ 8.347–79).

Каждое рабочее СИ получает размер ФВ от соответствующего эталона. Для упорядочения передачи размера единиц физических величин служат поверочные схемы, а для технического обеспечения передачи — рабочие эталоны СИ. Качество действующих СИ определяют при их поверке и калибровке.

Градуировка СИ — приписывание СИ метрологическим органом номинальной градуировочной характеристики.

При поверке СИ метрологическим органом определяется его соответствие метрологическим требованиям и устанавливается пригодность СИ к применению (операция контроля).

При калибровке СИ устанавливаются действительные значения метрологических характеристик СИ.

Нормативными документами предусмотрены следующие прямые методы передачи размера ФВ:

сличение поверяемого СИ с эталонным того же вида;

16

сличение поверяемых СИ с помощью компаратора; прямое измерение поверяемым измерительным прибором

размера ФВ, воспроизводимого эталонной мерой;

прямое измерение эталонным измерительным прибором размера ФВ, воспроизводимого поверяемой мерой.

В некоторых случаях возможны косвенные измерения размера ФВ, воспроизводимого поверяемой мерой или измеренного поверяемым измерительным прибором.

Для поверки рабочих СИ в настоящее время функционируют следующие эталонные поверочные установки: коллимированная поверочная нейтронная установка УКПН, универсальные поверочные установки КИС-НРД-МБ и КИС-НРД-МБм, образцовый всеволновый счетчик нейтронов ОВС-3.

3.3. Поверочные установки нейтронного излучения

Поверочные установки, предназначенные для поверки нейтронных радиометров и дозиметров, имеют две модификации: с широким пучком нейтронов (КИС-НРД-МБ) и с коллимированным пучком нейтронов (КИС-НРД-МБм и УКПН-1М или УКПН- 2).

Установки с коллимированным пучком нейтронов (рис. 2) состоят из контейнера-коллиматора 1 с установленным в нем радионуклидным источником нейтронов 2. Контейнер-коллиматор и передвижной столик 3 для расположения на нем блоков детектирования 4, радиометров или дозиметров установлены на станине 5 с градуировочной линейкой 6.

Рис. 2. Нейтронная поверочная установка типа УКПН

17

Контейнер-коллиматор снабжен тепловой насадкой 7 (слой замедлителя нейтронов из полиэтилена), предназначенной для замедления быстрых нейтронов из источника 2 для получения тепловых нейтронов. В комплект установки входит также кадмиевый экран 8.

Установки с широким пучком нейтронов (рис. 3) имеют следующие отличия от установки УКПН. Источник нейтронов устанавливается на держателе 9 в открытой геометрии (без контейне- ра-коллиматора). В комплект установки входят поглощающий конус 10 и шаровой замедлитель нейтронов 11.

Рис. 3. Нейтронная поверочная установка типа КИС-НРД-МБ

Все установки в комплекте с источниками нейтронов поверяются по мощности поглощенной или эквивалентной дозы или плотности потока тепловых и быстрых нейтронов.

Для определения основной погрешности методом прямых измерений используют эталонный прибор (дозиметр или радио-

метр). Для каждого радионуклидного источника нейтронов 238РuВе, 239Рu-Ве, 252Cf, входящего в состав установки, выполняют п

наблюдений (не менее 15) мощности поглощенной или эквивалентной дозы нейтронного излучения или плотности потока быстрых или тепловых нейтронов на расстоянии R0 = (1 ± 0,002) м от центра источника нейтронов.

При использовании установок с широким пучком детектор эталонного СИ одновременно с нейтронами из источника регистрирует рассеянные в помещении нейтроны. Для вычета вклада

18

рассеянных нейтронов необходимо дополнительно сделать n наблюдений, установив поглощающий конус между источником и детектором. При этом за среднее значение результатов наблюдений берется разность средних значений результатов наблюдений без поглощающего конуса и с ним.

При поверке поверочных установок по плотности потока тепловых нейтронов для получения потока тепловых нейтронов в установках с коллимированным пучком нейтронов на выходе коллиматора устанавливается тепловая насадка, обеспечивающая образование доли тепловых нейтронов не менее 20 %, а в установках с широким пучком источник помещается в центр шарового замедлителя, обеспечивающего образование доли тепловых нейтронов не менее 10 %.

Для вычета вклада быстрых нейтронов выполняют n наблюдений без кадмиевого экрана и n наблюдений с ним. Разница средних значений наблюдений дает среднее значение результата наблюдений плотности потока только тепловых нейтронов. Здесь используется свойство кадмия поглощать только тепловые нейтроны.

Доверительную границу относительной погрешности установки определяют по формуле

где 0 — относительная основная погрешность эталонного дозиметра или радиометра;

R— относительная погрешность определения расстояния;

к— относительная погрешность установки, связанная с от-

клонением от закона обратных квадратов;

K — коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисключенной систематической погрешности и доверительной вероятности;

S — относительная оценка среднего квадратического отклонения (СКО) результата измерения мощности дозы или плотности потока нейтронов.

Для определения погрешности к выбирают источник нейтронов с максимальным значением потока нейтронов и на расстоянии 0,6; 1,0; 1,5; 2,0 м измеряют мощность поглощенной

19

или эквивалентной дозы или плотность потока быстрых или тепловых нейтронов с помощью эталонных приборов.

Отклонение среднего значения результатов наблюдений определяют по формуле

где Ai, A1 — средние значения результатов наблюдений дозы или

плотности потока нейтронов на расстоянии Ri и R1 = 1 м соответственно;

R — значение поправки на положение эффективного центра источника.

Для поверочных установок с широким пучком нейтронов

Число и продолжительность наблюдений выбирают из условия, чтобы СКО не превышало 1 % для установок 1-го разряда и 2 % для установок 2-го разряда. Для этого делают k наблюдений

поверяемой величины и рассчитывают СКО Sк. Искомое число наблюдений n определяют из соотношения

2

где Sпр — предельное значение СКО, равное 1 %.

За значение погрешности установки, связанной с отклонением от закона обратных квадратов, принимают максимальное зна-

чение из отклонений θк, рассчитанных по формуле (7). Значение не должно превышать 2 и 4 % для установок 1-го и 2-го разрядов соответственно.

20