Глава 14. Основы регистрации полного потока нейтронов |
431 |
14.4 ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ
Уравнение (14.1) определяет эффективность детектора ε как число отсчетов (импульсов), зарегистрированных детектором, отнесенных к количеству нейтронов, излученных из образца. В этом разделе рассматриваются важные факторы, влияющие на ε для пропорциональных 3Не-счетчиков с полиэтиленовым замедлителем. Эти факторы включают расположение гелиевых счетчиков внутри полиэтиленового замедлителя, конструкцию замедлителя и спектр нейтронов утеч- ки, покинувших образец. Кроме того, отличия в энергетическом спектре сигнала и фоновых нейтронов могут быть использованы для повышения отношения полезного сигнала к фону.
14.4.1 Расположение гелиевых счетчиков в замедлителе
При заданной геометрии замедлителя размещение и количество 3Не пропорциональных счетчиков сильно влияет на эффективность регистрации нейтронов. Для примера был выполнен ряд расчетов эффективности с использованием программы MCNP [7] для переменного количества гелиевых счетчиков, размещенных внутри полиэтиленового кольца высотой 1 м. Счетчики имели диаметр 2,54 см и были наполнены 3Не под давлением 4 атм (эффективность регистрации тепловых нейтронов 77 %). Внутренний и внешний диаметры кольца составляют 17,8 и 38,1 см, соответственно. Гелиевые счетчики равномерно размещались внутри кольца по окружности диаметром 27,9 см. При расчетах предполагалось, что источник имеет моноэнергетический спектр нейтронов с энергией 1 МэВ. Две кривые на рис. 14.16 демонстрируют результаты расчетов. Кривая, относящаяся к левой оси ординат, представляет полную эффективность регистрации в зависи-
Ðèñ. 14.16. Результаты расчетов методом Монте-Карло эффективности регистрации полного потока нейтронов как функции числа гелиевых счетчиков для конфигурации, описанной в разделе 14.4.1
432 |
Дж. Стюарт |
мости от числа гелиевых счетчиков. Из этой кривой видно, что наибольшая эффективность счета находится приблизительно на уровне 29 % для 28 гелиевых счетчиков. Так как гелиевые счетчики дороги, иногда приходится идти на компромисс при выборе полной эффективности регистрации. Кривая, относящаяся к правой оси ординат, представляет эффективность регистрации, отнесенную к одному гелиевому счетчику (показатель цены эффективности), в зависимости от количества счетчиков. Приемлемое компромиссное решение для этого примера составило бы 16 гелиевых счетчиков. Выбор количества счетчиков также зависит от интенсивности излучения нейтронов из образца и желаемой точности измерений.
14.4.2 Конструкция замедлителя
Для определенного количества и расположения гелиевых счетчиков масса и расположение полиэтиленового замедлителя также могут существенно влиять на эффективность регистрации. В качестве примера были проведены расчеты для полиэтиленовой пластины длиной 25,4 см, высотой 15,3 см и толщиной 4,0 см (рис. 14.17). Два 3Не-счетчика были встроены в пластину параллельно ее продольной оси и находились на расстоянии 5,3 см друг от друга. Счетчики имеют активную длину 25,4 см, заполнены 3Не под давлением 4 атм и имеют диаметр 2,54 см. Источник нейтронов Сf-252 размещен на расстоянии 40 см от пластины на линии, перпендикулярной плоскости гелиевых счетчиков. Для расчета эффективности регистрации нейтронов для различной толщины полиэтилена спереди и сзади гелиевых счетчиков (по отношению к источнику) использовалась программа MCNP [7]. Для расчетов был использован спектр деления Уатта (уравнение (14.11)) при А = 1,025 и В = 2,926 для Cf-252. Эти параметры и геометрия пластины представляют типовые значения, встречающиеся в реальных детекторах нейтронов.
Результаты расчетов представлены в табл. 14.6 и на рис. 14.18. Статистиче- ская погрешность вычислений относительных эффективностей составляет приблизительно ±1 %. Полная толщина пластины может быть получена сложением
Ðèñ. 14.17. Геометрия, используемая для серии вычислений эффективно сти детектора методом Монте-Карло. При расчетах изменялась толщина полиэтил ена спереди и сзади двух гелиевых счетчиков
Глава 14. Основы регистрации полного потока нейтронов |
433 |
Ðèñ. 14.18. Зависимость относительной эффективности регистрации не йтронов252Cf от толщины полиэтиленовой стенки спереди и сзади небольшог о плоского детектора, показанного на рис. 14.17
толщины полиэтилена спереди и сзади счетчиков, потому что толщина измеряется от нити гелиевых счетчиков. Наиболее высокую эффективность регистрации обеспечивает конфигурация замедлителя c полиэтиленом толщиной 6 см перед гелиевыми счетчиками и толщиной 8 см за ними. Отметим, что при заданной толщине полиэтилена, находящегося сзади счетчиков, с увеличением толщины полиэтилена перед счетчиками эффективность регистрации сначала увеличивается, а затем снижается. Снижение объясняется захватом нейтронов в водороде. При заданной толщине полиэтилена перед счетчиками с увеличением толщины полиэтилена сзади счетчиков эффективность приближается к асимптотическому значению. Этот эффект объясняется отражением нейтронов от полиэтилена, находящегося сзади счетчиков. Часто ограничения в габаритах и весе ограничивают и полную толщину полиэтиленового замедлителя. В США полиэтилен обычно поставляется в пластинах толщиной 10,2 см. Если для простоты производства общая толщина пластины ограничивается этой величиной, то для оптимальной эффективности гелиевые счетчики следует размещать с толщиной полиэтилена спереди 4,6 см и сзади — 5,6 см.
14.4.3 Влияние энергетического спектра нейтронов
Для конкретной конструкции детектора эффективность регистрации нейтронов будет зависеть от энергии падающего нейтрона ввиду зависимости сече- ния реакции 3Не(n,p) от энергии нейтрона и замедляющего влияния водорода в полиэтилене. Зная удельный спектр нейтронов утечки, можно спроектировать детектор таким образом, чтобы сделать эффективность максимальной для этого спектра. В случае практического применения, когда отношение сигнала к фону невелико, желательно спроектировать детектор, который мог бы различать фоно-
434 |
Дж. Стюарт |
вые нейтроны с отличающимися энергетическими спектрами. В этом разделе приведены два примера — один для нейтронов из UF6, а другой для нейтронов из PuO2.
Коллимированные плоские детекторы нейтронов спроектированы так, чтобы контролировать уровни потока нейтронов в UF6 на заводах с центрифужным разделением изотопов урана. Описание детекторов приведено в разделе 15.3.1 и проиллюстрировано на рис. 15.4 главы 15. Каждый детектор содержит одиннадцать гелиевых счетчиков диаметром 2,54 см, размещенных в полиэтиленовой пластине размерами 10,2Ч30,5Ч61 см. Пластина окружена кадмиевой оболочкой и покрыта толстым полиэтиленовым экраном, кроме открытой лицевой поверхности площадью 1860 см2, которая покрыта слоем полиэтилена толщиной 1,3 см. Полиэтилен вместе с кадмием отфильтровывает фоновые нейтроны низкой энергии. На рис. 14.19 показан поперечный разрез детектора.
Таблица 14.6 — Относительная эффективность простого плоского детектора для полиэтиленового замедлителя с переменной толщиной стенки спереди и сзади 3Не-счетчиков
Толщина задней полиэтиленовой стенки, см
Толщина передней полиэтиленовой стенки, см
|
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
4,5 |
5 |
5,5 |
6 |
6,5 |
7 |
7,5 |
8 |
2 |
0,181 |
0,271 |
0,334 |
0,430 |
0,489 |
0,521 |
0,560 |
0,608 |
0,622 |
0,639 |
0,659 |
0,615 |
0,575 |
2,5 |
0,242 |
0,351 |
0,419 |
0,508 |
0,577 |
0,625 |
0,661 |
0,700 |
0,706 |
0,717 |
0,687 |
0,690 |
0,644 |
3 |
0,301 |
0,426 |
0,494 |
0,596 |
0,645 |
0,665 |
0,713 |
0,757 |
0,782 |
0,765 |
0,747 |
0,733 |
0,692 |
3,5 |
0,374 |
0,497 |
0,565 |
0,668 |
0,717 |
0,762 |
0,779 |
0,821 |
0,825 |
0,839 |
0,807 |
0,771 |
0,742 |
4 |
0,425 |
0,547 |
0,611 |
0,719 |
0,769 |
0,812 |
0,830 |
0,872 |
0,867 |
0,866 |
0,826 |
0,799 |
0,773 |
4,5 |
0,469 |
0,597 |
0,650 |
0,766 |
0,797 |
0,847 |
0,871 |
0,886 |
0,908 |
0,901 |
0,862 |
0,839 |
0,792 |
5 |
0,511 |
0,628 |
0,688 |
0,798 |
0,844 |
0,887 |
0,896 |
0,919 |
0,946 |
0,919 |
0,889 |
0,849 |
0,808 |
5,5 |
0,547 |
0,658 |
0,723 |
0,833 |
0,860 |
0,911 |
0,917 |
0,943 |
0,963 |
0,944 |
0,894 |
0,848 |
0,810 |
6 |
0,564 |
0,682 |
0,745 |
0,843 |
0,874 |
0,921 |
0,941 |
0,952 |
0,973 |
0,965 |
0,898 |
0,858 |
0,815 |
6,5 |
0,580 |
0,696 |
0,759 |
0,858 |
0,895 |
0,936 |
0,940 |
0,962 |
0,986 |
0,955 |
0,910 |
0,875 |
0,820 |
7 |
0,604 |
0,703 |
0,755 |
0,874 |
0,909 |
0,935 |
0,961 |
0,975 |
0,977 |
0,963 |
0,921 |
0,873 |
0,832 |
7,5 |
0,600 |
0,703 |
0,773 |
0,873 |
0,908 |
0,945 |
0,957 |
0,978 |
0,989 |
0,968 |
0,920 |
0,873 |
0,826 |
80,613 0,722 0,775 0,872 0,913 0,954 0,968 0,983 1,000 0,969 0,929 0,883 0,835
Монитор для анализа UF6 спроектирован так, чтобы получить зависимость эффективности от энергии нейтронов, аналогичную энергетическому спектру нейтронов 19F(α,n)22Na (см. рис. 14.10). В конструкции также предусмотрено сведение к минимуму отклика на фоновые нейтроны космического излучения с низкой энергией. Это было реализовано путем проведения измерений и расчетов влияния полиэтиленовых фильтров с тремя различными толщинами с лицевой стороны детектора [11]. На рис. 14.20 представлен график зависимости эффективности от энергии нейтронов для трех толщин полиэтилена: 0; 1,3 и 2,5 см. Действие полиэтиленового фильтра заключается в снижении эффективности регистрации падающих нейтронов для всех энергий, но с большим снижением для более низких энергий, свойственных фоновым нейтронам космического излучения. Эти расчеты показывают, что фильтр толщиной 1,3 см является хорошим компромиссным решением между высокой эффективностью регистрации для нейтро-
Глава 14. Основы регистрации полного потока нейтронов |
435 |
Ðèñ. 14.19. Поперечный разрез коллимированного плоского детектора нейтронов
нов с энергией 1,0 МэВ и низкой эффективностью регистрации для нейтронов с энергией 0,1 МэВ. Более детальное исследование оптимизации детектора UF6 с целью получения малого отношения сигнала к фону приведен о в [12].
Ðèñ. 14.20. Зависимость расчетной эффективности регистрации коллим ированного плоского детектора от энергии нейтронов, падающих перпендикулярн о поверхности детектора. Показаны результаты для трех толщин полиэтилено вого фильтра, покрывающего лицевую сторону: 0, 1,3 и 2,5 см
436 |
Дж. Стюарт |
Высокоуровневый счетчик нейтронных совпадений HLNCC является детектором, сконструированным, в первую очередь, для пассивной регистрации нейтронных совпадений от PuO2 (см. [13] и раздел 17.2.2 главы 17). Зависимость его эффективности от энергии нейтронов представлена на рис. 14.21. Если эту зависимость сравнить со спектром нейтронов утечки из типичного образца PuO2 (см. рис. 14.15), то можно увидеть, что эффективность HLNCC максимальна для энергии нейтронов, меньшей, чем та, с которой ему приходится работать. Другими словами, HLNCC, который разрабатывался как легкий портативный прибор, содержит слишком мало полиэтилена для полной термализац ии нейтронов.
Ðèñ. 14.21. Зависимость расчетной эффективности регистрации нейтронов высокоуровневого счетчика нейтронных совпадений HNLCC от энергии нейтронов, излучаемых изотропно в центре детекторного колодца
ЛИТЕРАТУРА
1.W.B. Wilson, R.T. Perry, and J.E. Stewart, "Neutron Production in UO2F2 from the Spontaneous-Fission and Alpha Decay of Uranium Nuclides and Subsequent
17,18O(α,n) and 19F(α,n) Reactions," in "Applied Nuclear Data Research and Development, April 1-June 30, 1981," P,G. Young, Comp., Los Alamos National Laboratory report LA-9060-PR (December 1981), p.50.
2.R.H. Augustson, R.B. Walton, W. Harbarger, J. Hicks, G. Timmons, D. Shissler, R. Tayloe, S. Jones, R. Harris, and L. Fields, "Measurements of Uranium Holdup in an Operating Gaseous Diffusion Enrichment Plant," in "Proceedings of the ANS/INMM Conference on Safeguards Technology: The Process-Safeguards Interface," Hilton Head Island, South Carolina, November 28-December 2, 1983, US DOE New Brunswick Laboratory, Conf. No. 831106 (August 1984), pp.77-88.
3.W.B. Wilson, R.T. Perry, J.E. Stewart, T.R. England, D.G. Madlund, and E.D. Arthur, "Development of the SOURCES Code and Data Library for the Calculation of Neutron Sources and Spectra from (α,n) Reactions, Spontaneous Fission, and β- Delayed Neutrons," in "Applied Nuclear Data Research and Development Semiannual Progress report, October 1, 1982-March 31, 1983," E.D. Arthur, Compiler, Los Alamos National Laboratory report LA-9841-PR (August 1983), p.65.
Глава 14. Основы регистрации полного потока нейтронов |
437 |
4.W.B. Wilson, "Calculations of (α,n) Neutron Production in PuO2 with Variable Moisture and Fluorine Contamination," Los Alamos National Laboratory memorandum T-2-M-1581, to J.E. Stewart (March 1985).
5.W.B. Wilson, R.T. Perry, and J.E. Stewart, "Neutrons from the Spontaneous Fission of Plutonium Nuclides and from the (α,n) Reactions of Their Decay Alpha Particles with Trace Contaminants of Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, Cl, and As in Pu Metal," Los Alamos National Laboratory report (available on request from Group N-1, MS E540).
6.J.E. Stewart, "Neutron Production by Alpha Particles in Thin Uranium Hexafluoride," Los Alamos National Laboratory report LA-9838-MS (July 1983).
7.Los Alamos Monte Carlo Group X-6, "MCNP — A General Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport, Version 2B," Los Alamos Scientific Laboratory report LA-7396-M, Rev. (November 1979).
8.N. Ensslin, J. Stewart, and J. Sapir, "Self-Multiplication Correction Factors for Neutron Coincidence Counting," Nuclear Materials Management VIII (2), 60 (1979).
9.E.D. Cashwell, J.R. Neergaard, W.M. Taylor, and G.D. Turner, "MCN: A Neutron Monte Carlo Code," Los Alamos Scientific Laboratory report LA-4751 (1972).
10.R.B. Walton, T.D. Reilly, J.L. Parker, J.H. Menzel, E.D. Marshall, and L.W. Fi-
elds, "Measurements of UF6 Cylinders with Portable Instruments," Nuclear Technology 21, 133 (1974).
11.J.E. Stewart and S.M. Simmonds, "Neutron Energy Response of an Area Neutron Monitor," in "Safeguards and Security Progress Report, January-December 1984," Los Alamos Laboratory report LA-10529-PR (1986), p.85.
12.J.E. Stewart and H.O. Menlove, "Design Study of an Optimized In-Cascade Neutron Monitor for Centrifuge Plants," in "Safeguards and Security Status Report: February-July 1982," Los Alamos National Laboratory report LA-9595-PR (February 1983), pp.57-63.
13.M.S. Krick and H.O. Menlove, "The High-Level Neutron Coincidence Counter (HLNCC): User’s Manual," Los Alamos Scientific Laboratory report LA-7779-M (ISPO-53) (June 1979).