506 |
Х. О. Менлав |
Было установлено, что нейтроны, вызванные космическим излучением, образуют значительный фон совпадений в детекторе. Для Лос-Аламоса, находящегося на высоте около 2250 м над уровнем моря, этот фон совпадений составил 0,250 ± 0,002 имп./с, что соответствовало скорости счета от образца плутония массой 0,2 г (с содержанием 20 % 240Pu). Этот фон совпадений ограничивает порог чувствительности детектора на уровне около 0,25 г плутония, если не проводить измерения множественности с поправкой на космический фон. Вблизи уровня моря, где расположено большинство предприятий по производству промышленного плутония, влияние космического излучения будет почти в 2 раза ниже. Скорость счета фона может также отчасти зависеть от массы и состава отходов в контейнере. Например, когда в установку поместили 6 свинцовых кирпичей (массой 77 кг) для измерения эффекта образования нейтронов от космических лучей на материалах с высоким атомным номером Z, наблюдалась скорость счета совпадений, превышающая фон на 0,91 ± 0,02 имп./с, которая эквивалентна 0,7 г плутония (с содержанием 20 % 240Pu).
Для анализа отходов, содержащих плутоний, пассивный метод нейтронных совпадений более точен, чем метод регистрации полного потока нейтронов, т.к. он нечувствителен к дополнительному нейтронному излучению, возникающему в матрице за счет (α,n)-реакций. Однако чувствительность регистрации может быть меньше в зависимости от химической формы материала и фоновой скорости счета совпадений.
17.2.2ВысокоуровневыйсчетчикнейтронныхсовпаденийHLNCC
В 1975 г. по инициативе Лос-Аламосской национальной лаборатории была начата разработка портативного счетчика нейтронных совпадений, позволяющего измерять контейнеры, содержащие до 2500 г PuO2. Детектор должен был иметь модульную конструкцию переменной конфигурации, легко приспосабливаемую под образцы с различной геометрией, такие как пластины или стержни. Разработка привела к созданию гексагональной модели установки, показанной на рис. 17.3. Показанный на рисунке промежуточный экран из кадмия был добавлен для снижения эффективности, времени жизни нейтронов в детекторе и чувствительности к матрице образца.
Установка HLNCC включает в себя шесть блоков счетчиков, причем каждый из них содержит по три 3He-счетчика, размещенных в полиэтиленовом замедлителе. Счетчики диаметром 25 мм имеют активную длину 508 мм и наполнены газом под давлением 4 атм. Система имеет эффективность ~12 % и время жизни нейтронов 32 мкс [5].
Когда началась работа над установкой HLNCC, максимальное быстродействие электроники совпадений составляло обычно от 20 до 30 кГц. По этой причине параллельно была предпринята разработка быстродействующего портативного электронного блока сдвигового регистра. Электронный блок (рис. 17.4) содержит шесть электронных каналов, сдвиговый регистр (см. главу 16) и микропроцессор для передачи данных в программируемый калькулятор Hewlett Packard типа HP-97 или другой компьютер. Благодаря наличию интерфейса между сдвиговым регистром и программируемым калькулятором работа системы очень проста. Оператору необходимо только установить образец и нажать кнопку "ПУСК". Сбор данных, их преобразование, анализ погрешностей, градуировка и вывод результатов выполняются калькулятором.
Глава 17. Приборы нейтронных совпадений и их применение |
507 |
Ðèñ. 17.3. Портативный высокоуровневый счетчик нейтронных совпадений HLNCC для анализа массивных образцов плутония
В течение последних 5 лет установка HLNCC использовалась для анализа большой номенклатуры образцов, включая контейнеры с порошком PuO2, смешанное уран-плутониевое топливо в виде порошка, таблеток и стержней, а также топливных элементов и лотков сборок для быстрых критических стендов. Максимальная заданная масса 2,5 кг плутония была превышена почти в 2 раза, и полная скорость счета превосходила 300000 имп./с. Для такой скорости счета необходима большая поправка на мертвое время (коэффициент поправки составляет от 3 до 4 для скорости счета совпадений), а результаты могут быть использованы только на основе
Глава 17. Приборы нейтронных совпадений и их применение |
509 |
Ðèñ. 17.6. Общий вид установки HLNCC-II. Видны 6 индикаторных лампочек на соединительной коробке наверху блока детектирования и блок сдвигового регистра на столе
регистрации почти в три раза длиннее по сравнению с прототипом без увеличе- ния размеров и массы. На рис. 17.5 показано сечение блока детектирования установки HLNCC-II, а на рис. 17.6 приведена фотография системы в сборе.
Первоначальная цель создания установки HLNCC-II состояла в том, чтобы получить ровную или плоскую характеристику чувствительности по высоте полости для образца при сохранении портативности установки. Это было достигнуто размещением колец из полиэтилена в виде прокладок вверху и внизу блока детектора для компенсации утечки нейтронов через торцы детектора. В дополнение к этим внешним кольцам внутренние полости торцевых пробок были сконструированы так, чтобы увеличить эффективность регистрации на концах детектора. Торцевые пробки изготовлены из полиэтилена с вкладышем из алюминия, которые дают лучшую чувствительность, чем пробки, изготовленные из какого-либо одного материала. Кроме того, полость для образца имеет кадмиевое покрытие для предотвращения возврата отраженных тепловых нейтронов назад в образец и устранения вынужденных делений. Поскольку кадмиевое покрытие не захватывает область торцевых пробок, полиэтилен этих пробок становится частью замедлителя для 3He-счетчиков.
Характеристики чувствительности к полному потоку нейтронов и нейтронным совпадениям были измерены при перемещении источника 252Cf вдоль оси измерительной полости для образца. Нормированные кривые чувствительности показаны на рис. 17.7, причем пунктирные кривые соответствуют первоначальной модели установки HLNCC. Улучшение чувствительности очевидно. В табл. 17.1 сравниваются некоторые ключевые параметры установки HLNCC и усовершенствованной установки HLNCC-II.
510 |
|
Х. О. Менлав |
Таблица 17.1 — Сравнение параметров установок HLNCC и HLNCC-II |
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметр |
HLNCC |
HLNCC-II |
Диаметр полости, см |
17,5 |
17,5 |
Высота полости, см |
35,0 |
41,0 |
Внешний диаметр, см |
32–36 |
34,0 |
Масса установки, кг |
48 |
43 |
3He-счетчики: |
|
|
а) количество, шт. |
18 |
18 |
б) активная длина, см |
50,8 |
50,8 |
в) диаметр, см |
2,5 |
2,5 |
г) давление газа, атм. |
4 |
4 |
д) газовые добавки |
Ar + CH4 |
Ar + CH4 |
Эффективность, % |
12 |
17,5 |
Время жизни нейтронов, мкс |
33 |
43 |
Кадмиевый экран |
закрепленный |
подвижный |
Зона равной чувствительности, см |
|
|
счет совпадений (отклонение 2% от |
11,0 |
30,5 |
максимума) |
|
|
общий счет (отклонение 1% от |
10,5 |
33,5 |
максимума) |
|
|
|
|
|
Новый электронный блок регистрации, созданный параллельно с установкой HLNCC-II, базируется на гибридном зарядочувствительном предусилителе-ди- скриминаторе AMPTEK А-111 [7]. На выходе предусилителя импульсы от нейтронов дискриминируются на уровне амплитуды шумов и гамма-излучения. Такой подход устраняет необходимость в дополнительных цепях формирования и позволяет достигать скоростей счета в 1300 кГц, что в четыре раза выше, чем у предыдущей системы (см. раздел 16.6.5).
Новый электронный блок может измерять образцы значительно большей массы, обычно ограничиваемой только требованиями ядерной безопасности. Миниатюрный предусилитель-дискриминатор размещается в непосредственной близости от 3He-счетчиков внутри герметичной коробки, что улучшает отношение сигнал/шум. Измеренная в лабораторных условиях стабильность полной скорости счета составила 0,002 % в течение двухнедельного периода. Эта наилуч- шая стабильность среди систем неразрушающего контроля.
Установка HLNCC-II с новой электроникой использовалась для анализа PuO2, PuF4, смешанного оксидного топлива и других типов плутониевых смесей. Пример отклика установки на PuO2 как с поправкой на размножение, так и без нее приведен на рис. 17.8.
Глава 17. Приборы нейтронных совпадений и их применение |
511 |
Ðèñ. 17.7. Нормированные кривые изменения чувствительности вдоль вертикальной оси детектора для полной скорости счета и скорости счета нейтро нных совпадений установки HLNCC (пунктирная линия) и установки HLNCC-II (сплошная ли ния). Видно трехкратное удлинение области равномерной чувств ительности установки HLNCC-II
Ðèñ. 17.8. Отклик нейтронных совпадений для установки HLNCC-II с новой, бо лее быстрой электроникой для образцов PuO2 различной массы (с поправкой на саморазмножение и без нее)
На этом рисунке наибольшая масса (около 300 г 240Puýôô) соответствует двум контейнерам с PuO2, поставленным друг на друга. Воздушный зазор между двумя массами плутония уменьшает геометрическую связь по сравнению с одиночным контейнером с той же самой полной массой плутония. Такое уменьшение связи выражается в уменьшении эффекта размножения нейтронов и приводит к тому, что точка, соответствующая двум контейнерам, лежит ниже градуировочной кривой. Однако после введения поправки на размножение, как описано в разде-