Бушуев Методы измерения ядерных материалов 2007

где R – число истинных совпадений; A – число случайных совпадений; P – время предварительной задержки счета импульсов, G – время счета совпадений; D – длительная задержка; τ – время жизни нейтрона в детекторе, D >>τ; Т – общая скорость счета нейтронов.

Принцип построения схемы счета нейтронных совпадений показан на рис. 7.6.

Практическое применение таких схем ограничено скоростями счета менее 20–30 кГц из-за необходимости больших коррекций, учитывающих «мертвое время» электроники. Дальнейшее развитие измерительной техники было основано на применении сдвигового регистра.

Рис. 7.6. Схема для выделения совпадений нейтронов деления

Сдвиговый регистр состоит из набора управляемых таймером триггеров. Последовательность импульсов, приходящих за время G, запоминается. Каждый последующий импульс открывает свои собственные ворота (триггер) так, что нет необходимости ждать пока закроются одни ворота, чтобы открыть другие. Это позволяет работать при скоростях счета в несколько сотен килогерц и выше. Следует заметить, что регистрация совпадений не начинается сразу, а

132

лишь через короткий интервал после прихода импульса P (предварительная задержка). В течение этого времени (3–6 мкс) из-за наложений импульсов и «мертвого времени» электроники искажается скорость счета источника совпадений (и распределение Росси-альфа). После предварительной задержки сдвиговый регистр открывает R+A ворота, ширина которых составляет обычно 32–64 мкс. В это время регистрируются истинные и случайные совпадения. Затем после длительной задержки D открываются ворота А. Поскольку величина D обычно равна 1000 мкс, что много больше времени жизни нейтронов в детекторе (30–100 мкс), пересчетное устройство А регистрирует только случайные совпадения.

Упрощенная схема сдвигового регистра дана на рис. 7.7.

UP-DOWN (реверсивный) счетчик

Длительная задержка

Рис. 7.7. Схема сдвигового регистра

Первый импульс с 3Не-счетчиков приходит на устройство предзадержки. Спустя время tз вырабатывается сигнал для запуска реверсивного счетчика. Одновременно входной импульс освобождает R+A-счетчик. При поступлении второго импульса в реверсивный счетчик добавляется 1, и то же число записывается в R+A-счетчик.

Если интервал времени G еще не закончился, то может пройти третий импульс, который добавит в реверсивный счетчик еще

133

1 и в нем накопится два отсчета. Одновременно к содержимому R+А-счетчика прибавляется число 2 из реверсивного счетчика, и в нем после прихода третьего импульса фиксируется число 1 + 2 = 3.

Если ворота G еще открыты и приходит четвертый импульс, то в реверсивном счетчике накапливается 3 отсчета, а в R+А-счетчик после строба добавляется число 3, и в нем теперь содержится число 1 + 2 + 3 = 6. Процесс подсчета длится, пока не закончится интервал времени G. В момент его завершения схема управления выдает сигнал длительной задержки, после которой начинается подсчет случайных совпадений в интервале времени G.

По окончании подсчета событий в счетчике А результаты запоминаются, и схема ожидает прихода нового стартового импульса.

Проанализируем смысл полученных результатов.

Всего при делении испускается ν нейтронов, для которых число возможных совпадений равно ν(ν–1)/2. При спонтанном делении 240Pu число ν может изменяться от 0 до 6. В табл. 7.3 приведены возможные комбинации.

Таблица 7.3

Число возможных совпадений для разного числа испускаемых при делении нейтронов

Таким образом, показания сдвигового регистра соответствуют числу регистрируемых совпадений.

Многие плутониевые образцы имеют три неизвестные характеристики, влияющие на скорость счета нейтронных совпадений:

•масса плутония;

•размножение нейтронов в образце;

•выход (α, n)-нейтронов.

При измерениях с помощью вышеописанного сдвигового регистра можно получить только две величины: общую скорость счета

134

нейтронов и скорость счета двойных совпадений. Таким образом, для определения массы требуется дополнительно знать либо коэффициент размножения нейтронов, либо выход (α, n)-нейтронов. Для некоторых загрязненных или неоднородных образцов ни то, ни другое не известно, так что необходимы измерения третьей величины – скорости счета тройных совпадений (триплетов). Если условия опыта (детектор, масса образца и др.) позволяют свести количество неизвестных до трех, то анализ образцов возможен без калибровки детектора.

Неизвестными величинами являются:

F – скорость спонтанного деления в образце, 473 дел./(с г240Puэфф);

(α,n) – скорость генерации нейтронов α-частицами;

M – умножение нейтронов утечки в образце в результате вынужденных делений.

Измеряемые величины:

S – скорость счета одиночных нейтронов;

D – скорость счета реальных дуплетов;

T – скорость счета реальных триплетов.

С помощью точечной модели (не учитывающей эффекты изменения вероятности деления по объему образца) определены соотношения между измеряемыми и определяемыми величинами:

где ε – эффективность регистрации нейтронов; fd и ft – информационные части ворот при счете дуплетов и триплетов (ворота открыты недостаточно долго, чтобы были сосчитаны все коррелирующие нейтроны); α – отношение числа нейтронов спонтанного деления к числу (α,n)-нейтронов; νs1, νs2, νs3 – числа единичных нейтронов, пар и троек на одно спонтанное деление; νi1, νi2, νi3 – числа единичных

135

нейтронов, пар и троек на одно вынужденное деление. Следует заметить, что S ~ ε, D ~ ε2, T ~ ε3, а у обычных счетчиков 0,1< ε < 0,5.

По результатам измерений одиночных нейтронов, дуплетов и триплетов можно определить величину эффективной массы 240Pu, коэффициент размножения нейтронов в образце и выходы (α, n)-нейтронов без калибровки измерительной системы.

В среднем нейтроны спонтанного деления рождаются парами, а нейтроны вынужденного деления – тройками. Ниже представлено распределение множественностей, зарегистрированных при измерениях с образцом PuO2 массой 60 г (табл. 7.4).

Таблица 7.4

Распределение множественностей, зарегистрированных при измерениях с образцом PuО2 массой 60 г

В рассматриваемом примере полные числа событий, зарегистрированных в воротах R+A и А приблизительно равны. Одиночных событий в воротах А зарегистрировано больше, а совпадений – в воротах R+A, где наряду со случайными совпадениями (их в обоих воротах приблизительно равное число) регистрировались и истинные совпадения, что в свою очередь уменьшало число одиночных отсчетов. При этом в воротах R+A сосчитано на 32% больше дуплетов и на 74% триплетов. Так увеличивается вклад истинных совпадений в полное число наблюдаемых совпадений.

Очевидно, что скорость счета резко уменьшается при переходе от счета дуплетов к счету триплетов. Реально счет триплетов – предел, когда результат может быть получен с приемлемой статистической погрешностью.

К детектору, предназначенному для счета триплетов, предъявляют более высокие требования:

136

1.Он должен обладать более высокой эффективностью: типич-

ные значения эффективности 40–60%, что обеспечивается применением большого числа 3He-cчетчиков (80–130 шт.).

2.«Мертвое время» электроники должно быть уменьшено: в детекторах множественностей обычно используют более 20 усилителей по сравнению с 6 усилителями у большинства детекторов двойных совпадений.

3.Требуется уменьшить зависимость эффективности от энергии

нейтронов: энергия нейтронов из (α, n)-реакций зависит от материала, с которым реагируют α-частицы. Поэтому нужно, чтобы эффективность детектирования минимально зависела от энергии нейтронов.

Сдвиговый регистр для счета множественностей показан на рис. 7.8.

Вход

Реверсивный счетчик

Сортировка по числу в счетчике

Рис. 7.8. Схема сдвигового регистра для счета множественностей

137

7.5. Основные итоги рассмотрения материала седьмой главы

1.Нейтронные излучения образцов ЯМ возникают при спонтанном и вынужденном делении, а также в результате (α, n)-реакций при взаимодействии α-излучений ЯМ с легкими материалами.

2.При спонтанном делении чаще всего нейтроны рождаются

парами, при вынужденном – тройками, при (α, n)-реакциях испускаются одиночные нейтроны.

3.Отдельные нейтроны деления невозможно выделить на сильном фоне нейтронов (α, n)-реакций, а при активных анализах – еще

инейтронов AmLi-источника. Чтобы зафиксировать акты деления, используют корреляционную временную связь между нейтронами деления, регистрируя случаи двойных и тройных совпадений нейтронных импульсов.

4.Основными компонентами нейтронных измерительных систем являются 3Не-счетчики и электроника сдвигового регистра. Чтобы вызвать вынужденное деление образцов ЯМ, их облучают нейтронами AmLi-источника.

7.6.Контрольные вопросы по материалу седьмой главы

1.Почему при спонтанном делении образуется меньше нейтронов, чем при вынужденном?

2.Как отличаются интенсивности испускания нейтронов спонтанного деления из образцов оружейного плутония

(0,012%238Pu+94,14%239Pu+5,58%240Pu+0,2%241Pu+0,018%242Pu)

иоружейного урана (1%234U+93%235U+6%238U) одинаковой массы?

3.Укажите случай, когда возможен контроль образца ЯМ путем счета отдельных нейтронов деления.

4.На основании чего выбирают ширину ворот G в электронике сдвигового регистра?

5.Почему для активных анализов образцов ЯМ предпочитают использовать AmLi-источник нейтронов, а не 252Cf?

6.Какие источники создают фон при активных нейтронных анализах?

138

7.Сравните достоинства и недостатки двух нейтронных детекторов: 3Не-счетчика и камеры деления.

8.Объясните различие в числе зарегистрированных случаев в воротах R+A, приведенных в табл. 7.4.

7.7.Список литературы к материалу седьмой главы

7.1.Дуглас Райли, Норберт Энслин, Хэйстингс Смит, Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов.

М.: Бином, 2000.

7.2.M.S. Krick, R. Schenkel and K. Bochnel. Progress in Neutron Coincidence Counting Techniques. – Report of the JAEA, Advisory Group Meeting, Vienna, Austria, 7–11 October 1985.

139

Глава 8 МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ НЕЙТРОННЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ ЯМ

В данной главе рассматриваются приборы, работа которых основана на регистрации нейтронных совпадений с использованием

электронных устройств временного анализа [8.1, 8.2].

Для различных применений были разработаны разные измерительные системы, пригодные для анализов разнообразных типов образцов: контейнеров с порошком PuO2, таблеток и стержней из смешанного уран-плутониевого топлива, металлических блочков, целых топливных сборок, бочек со скрапом и отходами. В противоположность химическим анализам, где пробу приспосабливают к средству измерения, в неразрушающем анализе аппаратуру приспосабливают к образцу.

8.1. Пассивный нейтронный анализ образцов Pu

При пассивных и активных нейтронных измерениях результаты счета совпадений используют для определения количества ЯМ в образцах.

При нейтронных измерениях Pu используют следующие понятия:

•эффективная масса 240Pu – она равна массе 240Pu, которая создавала бы такую же скорость счета, как исследуемый образец;

•умножение нейтронов утечки М – число нейтронов, испускаемых образцом, деленное на число нейтронов, производимых в ре-

зультате спонтанного деления и (α, n)-реакции в образце;

• альфа – отношение числа (α, n)-нейтронов к числу нейтронов спонтанного деления.

Пассивный нейтронный анализ образцов Pu включает определение эффективной массы 240Pu (240Puэфф) по скоростям счета ней-

тронных совпадений и последующее определение массы Pu с использованием данных о его изотопном составе:

где fi – массовая доля i-го изотопа в образце.

Существует несколько вариантов метода определения массы плутония по результатам нейтронных измерений на счетчиках сов-

140