Способ измерения нейтронных сечений

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублин ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ пп 548100(22) Заявлено 070775 (21) 2152884/26-25 с присоединением заявки М С 01 Т 1/34 С 01 Т 3/00 ГосударственныЯ комитет С С С.Р по делам изобретеииЯ и открытиЯ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ СЕЧЕНИЙ Изобретение относится к способам измерения нейтронных сечений (радиационного захвата 6-, деление бу рассеяния 55 и полного сечения) и может быть использовано для получения недостающих данных, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, и для более точных расчетов защит от нейтронного излучения и т.д. Известны способы измерения нейтронных сечений путем регистрации ф-квантов и нейтронов, в которых используется один иэ следующих способов выделения (идентификации) различных видов сечений:- измеряют величину энерговыделения в сцинтилляционном 4 й-детекторе, вызванного 4"-квантами 11 );используют сцинтилляционный детектор, действующий на основе принципа Майера-Лейбница 21;используют сцинтилляционный модифицированный детектор Моксона-Раса 3;измеряют совпадения -излучения с излучением нейтронов (43; используют метод пропусканиянейтронов (5 1.Однако во всех этих методах сечение захвата получается с большойпримесью сечения деления и с заметной примесью сечения рассеяния; вполное сечение входят погрешности,связанные с переходом от величиныпропускания к величине сечения. Ниодин иэ известных методов не позволяет получать одновременно нейтронныесечения захвата, деления, рассеянияи полное сечение, вследствие чего невозможно достаточно точно учесть 15 поправки, связанные с нечеткой идентификацией актов захвата, деления ирассеяния. Известные методы требуютиспользования различных установокдля измерения даже неполной комбина ции парциальных сечений, что приводит к снижению точности полученияотношения различных сечений. Крометого, неодновременное измерение сечений приводит к увеличению длительности цикла измерений.В качестве прототипа предлагаемого способа выбран способ измерениянейтронных сечений путем регистрацин-квантов и нейтронов, возникающих 30 после взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, который позволяет получать наиболее высокую точность в измерениях сечения захвата делящихся ядер, что имеет наибольшее практическое значение, По этому методу образец помещают в жидкостной сцинтилляционный 4 Й -детектор и при , каждом акте взаимодействия падающего нейтрона с исследуемыми ядрами измеряют энергию, выделяемую всеми 0-квантами во всем объеме детектора, Акты деления ядер и акты радиационного захвата нейронов (в дальнейшем просто "деление" и "захват") разделяют путем выделения числа случаев с энерговыделением л 2,5 МэВ (захват) и числа случаев с энерговыделением более 11 МэВ (деление). Для защиты от рассеянных нейтронов между образцом и детектором вводят защиту, содержащую литий-б.Однако этот способ имеет существенные недостатки.В канале захвата (случаи с энерговыделением д 2,5 МэВ) число случаев пропорционально величине 8- = =6- + ВЙ+ с 6. Здесь Вл 1, т е. число актов захвата получается с большой примесью актов деления. Исключение этой примеси, т.е. определение величины Д, вводит дополнительную ошибку в 6. и требует привлечения дополнительных (так называемых калибровочных) данных по б- , которые могут быть получены в данномФ эксперименте. Эта ошибка сильно зависит от величины Д и в данном случае является основной составляющей частью систематической ошибки,Эффективность регистрации актов деления и захвата составляет л 10. При столь малой эффективности появляются, во-первых, ошибки в сечениях, связанные с уходом эффективности в зависимости от спектра-лучей, т.е. в зависимости от энергии падающих нейтронов. Такой уход практически не поддается учету, Во-вторых, время измерений, в течение которого достигается заданная точность, на порядок больше минимально возможного времени. Кроме того, низкая эффективность регистрации уменьшает отношение эффекта к фону, что в свою очередь снижает точность получаемых сечений.Способ не позволяет одновременно измерять сечение рассеяния 6 5 вследствие чего поправка на примесь актов" рассеяния в канале захвата (член с сб в выражении Н, ), возникающего из-за того, что часть рассеянных нейтронов, захватывается конструкционными материалами детектора и имитируют захват в исследуемом образце, определяется с относительно низкой точностью.Отсутствует возможность одновременного получения величины полного 15 20 25 30 35 45 Ы 55 б 5 сечения, что необходимо для улучшения точности определяемых сечений захвата и деления путем введения поправки на самоэкранирование в заданных условиях эксперимента.Цель изобретения - обеспечить одновременное измерение различных парциальных нейтронных сечений (радиационный захват, деление рассеянием и полного сечения, повысить точность измерений сечений захвата, полного сечения и отношения сечений. Для этого с помощью системы независимо работающих детекторов измеряют суммарное количествор -квантов и нейтронов, возникающих при каждом отдельном акте взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, и измеряют величины амплитуд импульсов, характеризующих энерговыделение в каждом детекторе, и по распределению числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества -квантов и нейтронов и от суммарного энерговыделения в системе детекторов определяют нейтронные сечения. С целью упрощения процесса измерений регистрацию нейтронов ведут по -квантам, образующимся в борсодержащем (п,) -конверторе,На фиг, 1 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа, разрез," на фиг. 2 - расчетная зависимость кратности (К) для системы независимых детекторов с чис лом секций й = 6,10,20 и эффективностями Я . = 0,3 и 0,7, расчет проведен в предложении отсутствия рассеяния 7(-квантов из одного детектора в другой, черные точки соответствуют девяти -квантам (деление), белые четырем г-квантам (захват); на фиг. 3 - интегральное распределение времени жизни нейтронов с энергией 1 МэВ до поглощения их в конверторе при различных концентрациях в нем бораи парафина с суммарной плотностью смеси равной 1,5 г/см 3; йа фиг. 4 - экспериментально полученная зависимость чисел отсчетов от кратности совпадений (К) импульсов в системе детекторов для спонтанного деления СУстройство для осуществления предлагаемого способа содержит образец 1 из исследуемых ядер, (и,") - конвертор 2, детекторы 3, регистрирующую аппаратуру 4 и 5 (кодировщик, цифровой анализатор и др.).Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.Для простоты рассмотрим конкретный случай, когда нейтроны регистрируются по у-квантам, образовавшимся в (и,г )-конверторе. Образец 1 с исслед,емыми ядрами (см.фиг.1) помещают в коллимированный пучок падающих нейтронов и окружают, истемой й независимо работаюшп: Я -детекто 548100ров 3. Между образцом 1 и системойдетекторов 3 помещают (и, )-конвертор 2, содержащий, например, бор 10 и ядра, замедляющие нейтроны.Нейтроны, образующиеся после взаимодействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами, в результате захвата их в боредают -кванты сэнергией 480 КэВ, Один нейтрон вэтой реакции дает один у-квант.При каждом акте взаимодействияпадающего нейтрона с исследуемымиядрами измеряют суммарное числовсех "-квантов 9, т.е. Я -квантов,образующихся как в процессе взаимодействия, так и в процессе конвертирования нейтрона в "-квант (это число получают по кратности (К) совпадений импульсов от системы детекторов), и амплитуды импульсов от каждого детектора, соответствующихэнерговыделениям в детекторах, вызванных 4 -квантами.После набора Р актов взаимодействия, где Р определяется запланированнойстатистической точностью измерения сечений, выделяют числа Р-, д 5Р и Р 5, соответствующие числам актов захвата, деления и рассеяниясоответственно. Из этих чисел известными методами определяют соответствующие сечения. Полное сечениеопределяют по сумме Р, + Р + Р .Числа Р., Р и Р выделяют следующим образом.При захвате вылетают приблизительно 2-5 3"-квантов с суммарной энергией, равной энергии связи нейтронав ядре, т.е. л 5-10 МэВ, при делениивылетают примерно 7-8 Э-квантов ифф 2-3 нейтрона, при рассеянии - одиннейтрон. Таким образом, различныетипы взаимодействия характеризуются 40следующими суммарными количествамиМ -квантов (с учетом конвертирования нейтронов) и суммарным энерговыделением"-квантовзахват 4 = М 2-5, Е = Е45" 0,48 МэВ.Исходя из этого, по зависимостираспределения числа случаев от у иЕе, находят Р, Р, и Р . Последнееполучают по числу случаев, соответствующих 4 = 1 и Е = 0,48 МэВ, деление по числу случаев, соответствующих 1) ) 8, захват по числу случаев,соответствующих М1 с Е0,48 МэВ.Следует отметить, что точностьопределения 4 и Езависит от конкретных параметров детектора и кон- цвертора, а именно, от числа детекторов М, от суммарной эффективностирегистрации одного -кванта всейсистемой детекторов, от эффективности конвертирования нейтрона 6 (и,) у в -квант и от точности измерения суммарной энергии у-квантов Е. Однако, как видно из приведенныхзначений 4 и Е, как числаМЭ. ,Му И 99, так и Епо отношению к Е- и Е существенно разнятся между собой, поэтому требуемая точность их измерения позволяет создавать реальные и вполне реализуемые установки, позволяющие по распределению Р (М , Е ), полученному на этих установках, выделять область (по 9 и Е), соответствующие случаям чистого захвата, чистого деления и чистого рассеяния. В этом случае выделяемые числа Р Р и Р пропорциональны соответствующим числам актов захвата, деления и рассеяния.На фиг. 2 для пояснения показано, как откликается система детекторов (т.е. как зависит число случаев от кратности совпадения К) при М =4 (захват) и при М = 9 (деление) в зависимости от М и Я-. Видно, что начиная с некоторых значений М и Е-происходит эффективное разделение актов захвата и деления. Из фиг.3, где приведена зависимость эффективности конвертирования нейтронов с энергией 1 МэВ от содержания в конверторе бораи парафина (замедлителя) и от времени конвертирования (с), видно, что при с = 0,1 мкс эффективность конвертирования Е (п," ) при содержании В 1 О 0,5 г/см 3 и парафина 1,0 г/см 3 (реализованный случай) составляет " 80.Авторами создана установка из М = 12 детекторов на основе кристаллов Ма 3 (Те) (фиг.1) с б. - 70 для -квантов захвата,. - 80 для актов деления и с конвертором с эффективностью Е(и,у) 80 для нейтронов деления и 8 - 94 для нейтронов с энергией меньше 1 КэВ (содержанне в конверторе Во О, 5 г/см З, парафина 1,0 г/см , толщина 4,5 см). Детектор с такими параметрами позволяет четко выделить акты захвата, деления и рассеяния.Для иллюстрации работы установки на фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость числа отсчетов кратностей совпадений (К) для спонтанного деления СГ при котором захват и рассеяние отсутствуют. Деление регистрируется при К ) 4, т.е.1 в области 1К3 может регистрироваться только захват и рассеяние. Аналогичная картина, снятая экспериментально для захвата нейтронов в Сд , показывает, что захват регистИЪрируется только в области К 7, т.е. в области К 3 8 имеем случай чистого деления. Очевидно, что с рассеянием может конкурировать только захват, однако случаи захвата сильно отличаются по Е , а примесь случаев за,хвата с К = 1 и Е, соответствующаяэнергии 1.-кванта 480 кэВ, пренебрежимо мала (случаи захвата с 1) = 1,2 составляют малую долю), В снязи с этим случаи рассеяния хорошо ныделяются.по признакам К = 1 и амплитуде импульса от йа 3(Те), соответствующей Е480 кэВ.В общем случае для реальной установки числа Р , Р и Р 5 можно выделить, либо используя функции отклика системы детекторов для различныхи Е(которые находятся путем калибровки аппаратуры или расчетным путем), либо по различию н зависимостях Рр (Е 1), Р (Е ) и РВ(Е.) от энергии падающих нейтронов. В этом случае методом наименьших квадратов решают систему избыточных уравнений, связывающих измеряемое распределение Р(М , Е , Е ) с числами Р(Е,), Р(Е) й Р(Е) и определяют эти числа.формула изобретения1. Способ измерения нейтронных сечений путем регистрации ф -квантов и нейтроиои, возникающих .после взаимодействия падающих нейтронов с исследуеэаими ядрами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью одновременного измерения различных парциальных нейтронных сечений (например, радиационного захвата, деления, рассеяния) и полного сечения, понышеиия точиости определения сечения захвата, полного сечения и отношения сечений, измеряют с помощью системынезависимо работающих детекторовсуммарное количество ф -квантов инейтронов, возникающих при каждомотдельном акте нэаимодейстния па 5дающих нейтронон с исследуемыми ядрами, величины амплитуд импульсов,характеризующих энергоныделение вкаждом детекторе, и по распределениючисла зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества"-квантов и нейтронов и от суммарного энерговыделения в системе детекторов определяют нейтронные сечения,2. Способ по п.1, о т л и ч а ю15 щ и й с я тем, что, с целью упрощенйя процесса измерения, регистрациюнейтронов ведут по у-квантам, образующимся н борсодержанием (и,)- ) -конверторе.20 Источники информации,принятые но внимание при экспертизе1. Сии К Уеьсап .,И., йе5 ацааиге С, е,а - йаС 1. 5 с. Епу1970, ч. 40, р. 306.2. Сггг .В., .1 псясу 1, - НаС 15 с. Епд 1970, ч. 41, р. 56.3. 5 сйоеЪегд И,Е 5 оыегу М,С.е.а.- доклад С 1-26/33 на Международной конференции по ядерным данным.Хельсинки, 1970.4. Рябов Ю.Б., Сон Дон Сик, Чиков Н. и др. - Препринт ОИЯИ Р 3-5113,Дубна, 1970.5. Сагу 1,В., Рапхаег , апдНачепь Ч.И. - РЪуэ, Веч., 1965, ч.137 В, р. 547.548100 Кропносгдь со 3 оодеиии Риг.З ВНИИПИ Заказ 9219/3 Тираж 735 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная,