Метрология нейтронного излучения. Учебное пособие

Метод сличения при помощи компаратора допускается только в случае, когда тип эталонной и поверяемой установок и типы радионуклидных источников, входящих в комплект установок, совпадают.

Измерения осуществляют последовательно на эталонной и поверяемой установках для каждого типа радионуклидного источника нейтронов на расстоянии (1 ± 0,002) м от центра источника до детектора компаратора. Количество наблюдений, как правило, не менее 15.

Мощность поглощенной или эквивалентной дозы или плотность потока быстрых или тепловых нейтронов на поверяемой

установке Ап для каждого источника нейтронов определяют по формуле

где Aэт — мощность дозы или плотность потока нейтронов на эталонной установке;

Fэт и Fп — среднее значение результатов наблюдений величины, измеренной компаратором на эталонной и поверяемой установках.

При поверке необходимо также использовать поглощающий конус и кадмиевый экран при операциях, аналогичных поверке методом прямых измерений.

Дополнительно можно определять мощность поглощенной и (или) эквивалентной доз от сопутствующего гамма-излучения.

При этом следует учесть, что в некоторых случаях мощность поглощенной дозы составляет 20 % для Pu-Ве и 40 % для 252Cf-ис-

точников, мощность эквивалентной дозы достигает 2 и 4 % соответственно.

Доверительную границу погрешности установки определяют

оценки СКО измерений величин, измеряемых компаратором на эталонной и поверяемой установках соответственно.

Поверочная установка ОВС-3 предназначена для поверки радионуклидных источников нейтронов. Установка (рис. 4) состоит из всеволнового счетчика нейтронов 1, установленного на ста-

21

нине 2 с градуировочной линейкой 3. В комплект установки входят держатель 4 источника нейтронов 5 и поглощающий конус 6.

Всеволновый счетчик 1 состоит из внутреннего детектирующего блока 7, выполненного из полиэтилена. По горизонтальной оси блока имеется сквозное отверстие, внутри которого установлен пропорциональный счетчик тепловых нейтронов 8. В переднем торце блока 1 сделаны глухие отверстия 9. Блок 1 помещен в защитный блок 10, выполненный из полиэтилена. Блоки 1 и 10 разделены обечайкой 11 из кадмия.

Принцип работы всеволнового счетчика нейтронов следующий: быстрые нейтроны из источника, попав в блок детектирования 1, замедляются и часть из них регистрируется в счетчике 8. Рассеянные в помещении нейтроны замедляются в защитном блоке 10 и поглощаются в кадмиевой обечайке 11. Отверстия 9 предназначены для обеспечения одинаковой чувствительности всеволнового счетчика к нейтронам разных энергий.

Рис. 4. Нейтронная поверочная установка типа ОВС-3

Установка ОВС-3 поверяется по потоку нейтронов из источника W, иногда по плотности потока нейтронов Ф. Поверка осуществляется методом прямых измерений. На держатель 4 устанавливается источник нейтронов — поверяемый или эталон — и снимаются показания со всеволнового счетчика.

Наблюдения выполняются дважды: без поглощающего конуса и с ним, с целью исключения вклада рассеянных в помещении

22

нейтронов, падающих на переднюю торцевую поверхность блока детектирования всеволнового счетчика.

Суть поверки заключается в нахождении значения эффективности η всеволнового счетчика, с помощью которой можно определить поток нейтронов из радионуклидного источника нейтро-

нов Wx:

где N и Nк — средние арифметические значения показаний всеволнового счетчика без поглощающего конуса и с ним.

Доверительная граница относительной погрешности δо установки определяется по формуле

где K — коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисключённой систематической погрешности; эт — относи-

тельная погрешность эталонного источника нейтронов; S — относительная оценка СКО результата измерений.

S

3

где ts — коэффициент Стьюдента.

3.4. Поверка радионуклидных источников нейтронов

Поверку источников нейтронов в качестве эталонных мер 1-го и 2-го разрядов и рабочих мер осуществляют методом сличения с помощью компаратора. Поверку источников в качестве эталонных мер 2-го разряда осуществляют методом прямых измерений при помощи эталонной установки 1-го разряда.

Поверка источников нейтронов методом сличения с помощью компаратора основана на поочередном измерении скорости счета импульсов или плотности потока нейтронов от эталонного и поверяемого источников при одинаковых геометрических условиях.

23

В качестве компаратора следует применять установку ОВС-ЗМ или радиометры нейтронов типа РПН2-10, РПН2-11, РПН2-11А с градуировочной линейкой.

Измерения с каждым источником проводят с числом наблюдений, обеспечивающим СКО результата измерений не более 0,1 %. Наблюдения осуществляют дважды — без поглощающего

конуса (Nx) и с конусом (Nхк).

Значение потока Wx и плотности потока Фx нейтронного излучения поверяемого источника определяют по формулам

где Wэт и Фэт — поток нейтронов и плотность потока нейтронного излучения эталонного источника;

Nx и Nxк — средние арифметические значения показаний поверяемого источника без поглощающего конуса и с конусом;

Nэт и Nэт к — средние арифметические значения показаний эталонного источника без поглощающего конуса и с конусом.

Индекс «эт» в формуле (13) относится к показаниям эталонного источника, индекс «х» — к поверяемому источнику.

Доверительную относительную погрешность δо % результата поверки источников по потоку и плотности потока нейтронов рассчитывают по формуле

где k — коэффициент, учитывающий соотношение среднего квадратического отклонения и неисключенных систематических погрешностей при доверительной вероятности 0,95,

S

3

где S — суммарное относительное СКО результата измерения потока Wx или плотности потока Фх поверяемой меры, %;

— суммарная относительная систематическая погрешность результата поверки, %.

24

где SΣ — СКО результата сличения рабочего эталона с первич-

ным (р = 0,95);

δэт — относительная погрешность результата аттестации эталонной меры 1-го или 2-го разряда (р = 0,95);

эт — погрешность сличения методом компаратора,

эт = 0,5 – 2,0 %;

R( E ) — неисключенная систематическая погрешность, свя-

занная с определением эффективного центра R(Ex) блока детектирования компаратора, % (определено при поверке компаратора).

Поверка источников нейтронов методом прямых измерений основана на прямом измерении поверяемой величины эталонной меры 2-го разряда при помощи эталонной установки 1-го разряда. В качестве такой установки могут применяться установки с известной эффективностью и доверительной погрешностью изме-

25

рения потока нейтронов не более 4 %. Наиболее известна установка ОВС-ЗМ, поверенная в единицах потока нейтронов.

Значение потока нейтронов поверяемого источника определяется по формуле (13).

Доверительная относительная погрешность δ0 % поверки источника определяется по формуле (14), где

(определено при поверке этой установки для конкретных типов источников с энергией нейтронов Ех), %;

к(v) — неисключённая систематическая погрешность, свя-

занная с определением коэффициента, учитывающего асимметрию излучения источника, к(v) < 0,5 %.

Поверка источников осуществляется при нормальных внешних условиях. Максимальное значение погрешности аттестации δ0 не должно превышать значения, указанного в государственных поверочных схемах для меры конкретного разряда.

3.5.Поверка нейтронных измерительных приборов

Кнаиболее распространенным нейтронным измерительным приборам относятся радиометры и дозиметры.

Различают две геометрии поверки приборов: открытую геометрию (широкий пучок нейтронов) и геометрию коллимированного поля (коллимированный пучок).

Поверка радиометров нейтронного излучения

Радиометры предназначены для измерения плотности потока тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов. Основной метод поверки радиометров — поверка в коллимированном пучке на образцовой установке типа УКПН-1, УКПН-1М, КИС-НРД- МБМ с использованием эталонных источников нейтронов. При этом могут быть два подхода:

26

1. Используется поверенная на установке мера плотности потока нейтронов. Суть поверки заключается в определении погрешности измерения плотности потока нейтронов в нескольких точках каждого диапазона приборов. Значения плотности потока

поверяемых точек Фi указаны в техническом описании на радиометр, а воспроизводится это значение Фi на поверочной установке на различных расстояниях Ri от центра источника через поверенное значение плотности потока Фэт эталонного источника на

расстоянии R1 = 1 м. Необходимое для поверки расстояние Rj рассчитывается по формуле

где R — поправка на смещение эффективного центра источника;

Кр = е–0,693t/T — поправка, учитывающая распад радионуклида

висточнике.

2.Используется поверенная мера потока нейтронов эталон-

ного источника, а значение Фi на расстоянии Rj определяют с помощью различных формул для тепловых, быстрых и промежуточных нейтронов.

Для заданной плотности потока тепловых нейтронов Фх [с–1∙см–2] при потоке эталонного источника быстрых нейтро-

нов W [с–1] расстояние Ri [м] от центра источника до передней поверхности блока детектирования определяется по формуле

где – коэффициент асимметрии источника, взятый из паспорта источника;

Кр — поправка, учитывающая распад радионуклида источни-

ка;

kт — коэффициент, учитывающий долю тепловых нейтронов в коллимированном пучке, возникающих при использовании тепловой насадки;

27

Rэфф — эффективный центр блока детектирования;

0,05 — поправка на смещение эффективного центра источни-

ка.

Значения kт приведены в табл. 5.

Погрешность определения kт: δkт = 5 % при доверительной вероятности 0,95.

Для детекторов толщиной не более 10 мм значение Rэфф можно принять равным половине толщины детектора. Для тол-

щин, больших 10 мм, Rэфф определяется экспериментально.

Для определения Rэфф при различных расстояниях Ri между центром источника нейтронов и передней поверхностью блока детектирования рассчитывают средние значения показаний при-

бора Ni (измерения без поглощающего конуса и с ним). Интервал

между двумя последовательными значениями Ri не более 15 см. После проведения измерений строится график зависимости (рис.

5).

28

Через линейную часть графика, используя метод наименьших квадратов, следует провести прямую до пересечения с осью абс-

цисс. Абсцисса точки пересечения будет Rэфф.

При поверке радиометров по тепловым нейтронам расчетные

значения Фт сравнивают с разностью средних значений радиометра без кадмиевого экрана Ф и с кадмиевым экраном ФСd.

Для быстрых и промежуточных нейтронов расстояние Ri [м] для заданной плотности потока нейтронов Ф определяется по формуле

где kδ — коэффициент, учитывающий увеличение плотности потока нейтронов за счет отражения коллиматором (табл. 6);

0,02 — поправка на смещение эффективного центра источни-

ка.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (23).

В практике поверку радиометров чаще осуществляют в широком пучке нейтронов. Метод основан на воспроизведении зна-

чения плотности потока Фi на различных расстояниях Ri с использованием поверенного значения потока нейтронов эталонного источника. Поверку осуществляют на установке типа КИС-НРД-МБ (см. рис. 3). При поверке по тепловым нейтронам

необходимое расстояние Ri от геометрического центра шарового источника до передней поверхности блока детектирования для

конкретного значения плотности потока нейтронов Фi определяется по формуле

29

где k — отношение полного потока тепловых нейтронов шарового замедлителя к полному потоку нейтронов источника.

Для Pu-Be и Ро-Be источников k = 0,11 ± 7 %, Р = 0,95 для стандартного размера шарового замедлителя. Остальные обозначения те же, что и в формуле (23).

Чтобы определить чистый поток тепловых нейтронов на радиометр, измерения выполняют без кадмиевого экрана Ni и с ним

Niк. Разница показаний Ni – Niк дает отклик радиометра только на тепловые нейтроны.

При поверке по быстрым нейтронам расстояние Ri определяют по формуле

Если блок детектирования устанавливают на расстояниях, где закон 1/R2 не соблюдается из-за влияния рассеянного в помещении нейтронного излучения, измерения проводят дважды:

без поглощающего конуса (Ni) и с ним (Niк). Разница значений двух измерений исключает влияние рассеянного излучения.

В практике используется ряд других методов поверки нейтронных радиометров.

Поверка радиометров в диффузном поле тепловых нейтронов основана на использовании меры плотности потока тепловых нейтронов в канале ядерного реактора в специальных конструкциях.

Поверка радиометров методом подобия основана на сочетании поверки некоторых (исходных) поддиапазонов одним из методов, изложенным выше, а остальных поддиапазонов — в моделирующих полях нейтронов, создаваемых при помощи идентичных источников или на ЯФУ.

Подобие радиационных полей основывается на том, что у источников одинаковой конструкции отношение характеристик нейтронных полей не зависит от геометрии измерений.

При поверке методом подобия устанавливаются соответствия показаний радиометра значениям плотности потока нейтронов, определенным как произведение показаний радиометра по исходной шкале на отношение потоков нейтронов при поверке источников.

30