13.7 ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ НЕЙТРОНОВ

13.7.1 Введение

Как указывалось в разделе 13.1, пассивные методы нейтронного анализа обычно основаны на измерении количества нейтронов без учета их энергии. Это обусловлено, во-первых, тем, что радиоактивные материалы излучают нейтроны с широкими энергетическими спектрами, изменения которых для различных изотопов незначительны, и, во-вторых, тем, что регистрация нейтронов основана на косвенных методах, при которых сохраняется незначительная информация об энергии нейтронов. В данной главе было показано, что широкий круг взаимодействий в процессе регистрации нейтронов не находится в прямой зависимости от энергии нейтронов. В определенной мере исключение составляют детекторы на ядрах отдачи, такие, как счетчики, наполненные 4He, и органические сцинтилляторы. Однако ни один из рассмотренных детекторов не позволяет идентифицировать изотопы на основе измерения энергии испускаемых ими нейтронов. Вследствие этого пассивные методы нейтронного анализа обычно основаны на измерении количества тепловых или быстрых нейтронов, иногда посредством подбора детектора или окружающего его материала для регистрации нейтронов в наиболее широком энергетическом спектре. При выборе детекторов также учитывается их способность генерировать быстрые (от 10 до 100 нс) и медленные (от 10 до 100 мкс) выходные сигналы для счета совпадений. Конструкция некоторых детекторов позволяет эффективно регистрировать нейтроны практически всех энергий (их называют "всеволновыми" детекторами).

13.7.2 Методы измерений

Хотя измерение энергетического спектра нейтронов при пассивных методах анализа не является обязательным, оно иногда важно при проведении исследований и разработке приборов. Такие измерения трудны, но возможны с использованием различных методов измерений. Для этого используются спектрометры на протонах отдачи, нейтронные время-пролетные измерения и спектрометры, наполненные 3He. Ниже приводится пример использования спектрометра, наполненного 3He, для измерения энергетических спектров нейтронов.

Разработанный Шалевым и Катлером [23 и 24] спектрометр, наполненный 3He, использовался для измерения энергетических спектров запаздывающих нейтронов. (Спектр нейтронов источника AmLi, приведенный на рис. 11.5, был также измерен с помощью аналогичного прибора). Спектрометр представляет собой пропорциональный счетчик, наполненный 3He, аргоном и некоторым количеством метана. Регистрация нейтронов этим счетчиком основана на реакции 3He(n,p) в диапазоне энергий от 20 кэВ до 2 МэВ. Сечение реакции в этом диапазоне энергий гладкое и почти плоское, уменьшающееся примерно от 10 до 1 барна. Для регистрации быстрых нейтронов счетчик не помещается в замедляющий нейтроны материал; для уменьшения вклада в отклик детектора тепловых нейтронов, сечение взаимодействия которых с 3He равно 5330 барн, он защищается слоем кадмия или бора. Кроме того, для уменьшения влияния на энергетическое разрешение детектора наложений импульсов от гамма-квантов также используют защитные экраны из свинца. Собственная эффективность при этом низкая, порядка 0,1 %.

Энергетический спектр, полученный с помощью спектрометра, наполненного 3He, имеет пик полного поглощения, соответствующий сумме энергий En + 765 кэВ; пик захвата тепловых нейтронов при энергии 765 кэВ; спектр, полу- ченный при реакции упругого рассеяния 3He(n,n’) с максимумом при энергии, равной 0,75 En (по уравнению (13.3)). Для выделения пика En + 765 кэВ используется постоянная времени длительного сбора зарядов в диапазоне от 5 до 8 мкс. Это позволяет выделить более медленные сигналы от протонов отдачи, образующихся в (n,p)-реакции, на фоне более быстрых сигналов от отдачи ядер 3He. Это также способствует одновременному накоплению информации о собранных зарядах и времени нарастания сигнала для обеспечения более эффективной дискриминации по форме импульса. Таким способом возможно получение энергети- ческого спектра нейтронов, однако при его обработке необходимо очень аккуратно обращаться с результатами измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1.Engineering Data Sheets 1.21 and 1.22 for BF3 Proportional Counters (ReuterStokes, Inc., Cleveland, Ohio, 1979).

2.A.E. Evans, H.O. Menlove, R.B. Walton, and D.B. Smith, "Radiation Damage to 3He Proportional Counter Tubes," Nuclear Instruments and Methods 133, (1976).

3.D.H. Wilkinson, Ionization Chambers and Counters (Cambridge University Press, Cambridge, Massachusetts, 1950).

4.P. Rice-Evans, Spark, Streamer, Proportional, and Drift Chambers (The Richelieu Press, London, 1974).

5.T.L. Atwell and H.O. Menlove, Measurement of the Time Resolution of Several 4He

and CH4 Proportional Counters in "Nuclear Safeguards Research Program Status Report, September-December 1973," Los Alamos Scientific Laboratory report LA-7784-MS (July 1979), pp. 57-63.

6.T.D. Reily, "The Measurement of Leached Hulls", Los Alamos Scientific Laboratory Report LA-7784-MS (July 1979), pp. 57-63.

7.G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement (John Wiley & Sons, Inc., New York, 1979).

8.Engineering Data Sheets 1.02 and 1.03 for 3He Proportional Counters (ReuterStokes, Inc., Cleveland, Ohio, 1978).

9.T.W. Crane, “Shielding for 3He Detectors” in "Nuclear Safeguards Research Program Status Report, May-August 1976," Los Alamos Scientific Laboratory report La-6675-PR (January 1977), p. 3.

10.T.W. Crane, "Gas Mixture Evaluation for 3He Neutron Detectors," in "Nuclear Safeguards Research and Development Program Status Report, May-August 1977," Los Alamos Scientific Laboratory report LA-7030-PR (March 1978), p. 39.

11.M.L. Evans, "NDA Technology for Uranium Resource Evaluation, January 1- June 30, 1978," Los Alamos Scientific Laboratory report LA-7617-PR (1979), pp. 36-41.

12.T. Gozani, Active Nondestructive Assay of Nuclear Matreials, Principles and Applications, NUREG/CR-0602, SA1-MLM-2585 (US Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC, 1981).

13.R.W. Lamphere, "Fission Detectors," in Fast Neutron Physics, I, J.B. Marion and J.L. Fowler, Eds. (Interscience Publishers, Inc., New York, 1960).

14.S. Kahn, R. Harman, and V. Forgue, Nuclear Science and Engineering 23, 8 (1965).

15.Engineering Data Sheet 1.41 for 10B-Lined Proportional Counter (Reuter-Stokes Inc., Cleveland, Ohio, 1979).

16.R.L. Craun and D.L. Smith, "Analysis of Response Data for Several Organic Scintillators," Nuclear Instruments and Methods 80, 239 (1970).

17.L.M. Bollinger and G.E. Thomas, Review of Scientific Instruments 32, 1044 (1961).

18.D.W. Glasgow, D.E. Velkley, J.D. Brandenberger, and M.T. McEllistrem, "Pul- se-Shape Discrimination for Wide Dynamic Range Neutron Scattering Experiments," Nuclear Instruments and Methods 114, 535 (1974).

19.C.L. Morris, J.E. Bolger, G.W. Hoffman, C.F. Moore, L.E. Smith, and H.A. Thiessen, "A Digital Technique for Neutron-Gamma Pulse Shape Discrimination," Nuclear Instruments and Methods 137, 397 (1976).

20.W.F. Hornyak, "A Fast Neutron Detector," Review of Scientific Instruments 23 (6), 264 (1952).

21.R.A. Harlan, "Uranium and Plutonium Assay of Crated Waste by Gamma-Ray, Single Neutron, and Slow Coincidence Counting," in Proc. American Nuclear Society Topical Conference on Measurement Technology for Safeguards and Materials Control, Kiawah Island, South Carolina, November 26-28, 1979 (National Bureau of Standards Publication 582, 1980), p.622.

22.L.E. Bruns, "Capability of Field Instrumentation to Measure Radionuclide Limits," Rockwell Hanford report RHO-LD-160 (1981), p.45.

23.S. Shalev and J.M. Cuttler, Nuclear Science and Engineering 51, 52 (1973).

24.H. Franz, W. Rudolph, H. Ohm, K.L. Kratz, G. Herrmann, F.M. Nuh, D.R. Slaughter, and S.G. Prussin, "Delayed-Neutron Spectroscopy with 3He Spectrometers,"

Nuclear Instruments and Methods 144, 253 (1977).