Устройство для измерения концентрации элементов в материалах

(33) Р 1 н Алфтха Пекка Р аилэ и Сэпп р. Ядерноиза минерал дат, 1973,ь А.С. Нейтного анализаАтомиздат,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАН ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОПИСАНИЕ(46) 15. 02. 87. Бюл. В (71) Оутокумпу Ой (Р 1 (72) Георг Кристиан ф Туула Аннели Лукандер ла, Хейкки Еханнес Си Юхани Уустало (Г 1) (53) 543,53(088,8) (56) Якубович А.Л. и д физические методы анал ного сырья, М.: Атомиз с.194-195.Карташев Е.Р., Штан ронные методы непрерыв состава вещества. М.: 1977, с. 118-119,80 1291033 А 3(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ В ИАТЕРИАЛАХ (57) Изобретение относится к ядерно- физическим методам анализа материалов. Целью его является повышение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучения, Устройство содержит источник 4 быстрых нейтронов с рассеивающим экраном 2, вокруг которого находится замедлитель - по крайней мере частично тяжелая вода 3, количество которой оптимизировано. Источник нейтронов и полупроводниковый детектор располагают с одной стороны от облучаемого материала. Оптимизировано расстояние между источником и детектором излучения, а также между рассеивающим экраном и детектором. 2 з.п.ф-лы, 11 ил, 4 табл.1033 гчем у 0 О,но из-за его низкой стоимости целесообразно окружать Р О графитом и окружать графит Н О. Для рассеяния быстрых нейтронов, идущих кдетектору, и поглощения гамма-излучения источника целесообразно исполь.зовать конусообразный рассеивающийэкран из тяжелого металла, напримервисмута, который не дает захватного10 гамма-излучения, Поскольку висмутявляется очень плохим замедлителем,экран должен быть расположен на некотором расстоянии от детектора, иначе быстрые нейтроны по нему пройдут15 к детекторуВ табл.1 показано количество нейтронов (и), попадающих на детекторза заданный период времени для вариантов выполнения экрана, показанных20 на фиг.2-5. Толщина слоя 0 О не играет значительной роли, но большие толщины несколько лучше, Более широкийу основания конус также улучшает результаты за счет увеличения телесногорассеяния нейтронов,На фиг.2-5 обозначены детектор 1гамма-излучения, например, полупроводниковый, рассеивающий экран 2,например, из висмута, вокруг которо 30 го находится тяжелая вода 3, и источник 4 быстрых нейтронов.Тяжелая вода является довольнодорогой и, поэтому, ее количествооптимизировано с точки зрения сто 35 имости. Приведенная на фиг.б геометрия йолучена в результате укаэаннойоптимизации. В этой геометрии вместотяжелой воды большую часть эамедлителя образует графит. Однако со сто 40 роны, находящейся напротив детектора, целесообразно использовать тяжелую воду, поскольку важно терма"лиэовать попадающие на детекторнейтроны, Для этого была рассчитана45 необходимая толщина слоя тяжелойводы, причем наблюдади, что увеличение количества тяжелой воды выше12 л не влияет на ситуацию,1 129Изобретение относится к нейтронно-активационному анализу материалов методом захватного гамма-излучения,Цель изобретения - повышение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучения.На фиг.1 показаны кривые, поясняющие теоретические положения, лежащие в основе изобретения; на фиг,2-5 - различные варианты выполнения рассеивающего экрана иэ висмута; на фиг.б - предпочтительный вариант выполнения устройства; на фиг,7 - вариант выполнения устройства; на фиг.8-9 - полученные с помощью устройства спектры; на фиг. 10 - модифицированный вариант устройства; на фиг.11 - применение устройства для анализа пульпы.В основе изобретения лежат следующие теоретические положения.Замедление и Гчспространение нейтронов представляют собой математически сложную за,ачу, точное решение которой может быть найдено только в случае простейшей геометрии, например при сферической симметрии. Однако реальное измерительное оборудование содержит много различных материалов с поверхностями раздела, находящимися на различных направлениях. Простейшее решение в этих условиях - использование для расчета метода МонтеКарло, основанного на знаниях вероятностных законов, управляющих доведе" нием отдельного нейтрона в каждой среде, Прослеживая различные случаи проведения нейтрона (прохождение кейт рона с замедлением и изменением направления при столкновении с атомами и поглощение), можно .получить представление о количественном и энергетическом распределениях нейтронов в различных местах.Показанные на фиг. 1 результаты были получены путем расчета потока тепловых и быстрых нейтронов на основе сферической модели для сферы радиусом 100 см из Н О и Р О. Из фиг.1 видно, что в Н О поток тепловых нейтронов уменьшается с той же скоростью, что и поток быстрых нейт- . ронов, тогда как в Р О поток тепловых нейтронов распространяется лобольшему объему без поглощения, и только утечка вне сферы приводит к уменьшению потока.Расстояние замедления для графита больше,а диффузионнаядлина меньше,50 В показанном на фиг.б вариантеустройства источник 4 быстрых нейтронов расположен в вершине рассеивающего экрана 2. Позицией 5 обозначен графитовый замедлитель, а пози" 55 цией б - исследуемый материал, рас"положенный, например, на конвейере,Источником быстрых нейтронов,использованным в экспериментах ивычислениях, был изотоп СГ, даю 252щий наилучший выход нейтронов на единицу активности, имеющий достаточно низкую стоимость и мягкий спектр нейтронов.Как известно, допустимые величины флюенса нейтронов для детекторов различаются весьма сильно. В ка"фчестве исходного значения, опасного для детектора флюенса, была взята9 2величина 10 нейтрон/см . На основе моделирования определено, что увеличение на 15 см расстояние в тяжелой воде между источником и детектором уменьшает флюенс на порядок.В табл.2 приведены данные о сроке елужбы детектора в устройстве с оптимизированной геометрией в зависимости от указанного расстояния при использовании источника 20 мгСГ.1Экспериментальная геометрия устройства, в которой было выбрано расстояние источник - детектор 55 см и которая получена на основе оптимизации, показана на фиг.7, где обо" значены держатель 7 рассеивающего экрана 2 и сосуд 8 с жидким азотом для поддержания детектора 1 при низкой температуре. В баллоне с исследуемым материалом 6 была выполнена полость для размещения предусилителя детектора 1. Использованное в экспериментальном устройстве оборудование включало Се(Ь) детектор и связанное с ним вычислительное устройство.,Полученные результаты выводили на цифропечатающее устройство и графопостроитель. В качестве источника262использовали 1 мг С 1. Время измерений составляло 100 мин. В качестве проб брали концентраты никеля и меди. Полученные результаты приведены в табл.3. Кроме того, были проведены измерения фона путем замены пробы раствором борной кислоты, обладающим примерно такой же, как и у пробы, отражающей способностью для тепловых нейтронов. Геометрию измерений модифицировали таким образом, что пустое пространство, окружающее детектор между пробой и замедлителем, было в одних случаях заполнено материалом пробы, а в других - служащими в ка" честве отражателей кусками графита. Также проводили эксперименты по изучению влияния на спектр тонкой кадмиевой пластинки, устанавливаемой для защиты детектора.Программа обработки спектров включала обнаружение пиков, калибровку по энергиям, определение фона, расчет площади под пиками и оценку ошибки. Для оценки ошибки, вызываемой статистикой счета, испольэовали главные.пики различных веществ: 7,646 МэВ и 7,632 МэВ с сопутствующими пиками;5,420 МэВ с сопутствующимипиками; 3,221 МэВ, 2,931 МэВи 2,380 МэВ 17,915 МэВ и 7,306 МэВ с сопутствующими пиками;8,999 МэВ и 8,535 МэВ ссопутствующими пиками;4,934 Г 1 эВ и 3,539 МэВ. Сп15Н.Очевидно, что геометрия устройства может изменяться различным об разом, Если, например, исследуемыйматериал представляет собой текучую среду, например пульпу, то этот материал сам может использоваться как замедлитель. В этом случае детектор 50 может быть помещен непосредственнов исследуемый материал, как это показано на фиг. 11. Формула изобретения55 1. Устройство для измерения концентрации элементов в материалах методом захватного гамма-излучения, содержащее источник быстрых нейтроПолученные на концентрате никеля20 результаты .приведены в табл.4Соответствующие результаты можнополучить при использовании источников10 мг и 20 мг за время 10 мини 5 мин.Увеличив в четыре раза время измерения, можно уменьшить ошибку вдвое.Части спектров концентрата никеля,полученные на описанном устройстве,показаны на фиг.8 и 9,Захватные и активационные пики30 от материала детектора могут быть; устранены посредством кадмиевого экрана, Какой-либо другой поглотительнейтронов мог бы ухудшить отношениепик/фон в меньшей степени. При ис 35 пользовании кадмиевого экрана количество захватного гамма-излученияот пробы уменьшилось в 1,7 раза.На фиг.10 приведена обратная поотношению к фиг,6 и 7 геометрия уст 40 ройства, предназначенная для измерения материала 6 на конвейере.129 Выполнение экрана по фиг. Показатель 23 20 10 10 10 а, см 10 Ь, см 1, см 50 50 50 50 168 113 131 147 по Таблица 2Относительная инРасстояние, см Срок службы детектора, днтенсивность гамма-излучения 110 2,2 х 1,4 х 3,0 х 6,3 60 0,8 65 0,5 нов, эамедлитель, детектор гаммаизлучения, рассеивающий экран длябыстрых нейтронов из тяжелого материала, предпочтительно висмута, выполненный в виде усеченного конусаили последовательности усеченных конусов, расположенный между источникомбыстрых нейтронов и детектором гаммаизлучения и служащий для одновременногопоглощения гамма-излучения источникабыстрых нейтронов, и средство удержания исследуемого материала, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности измерений и увеличения срока службы детектора гамма-излучения, источник быстрых нейтронов и детектор гамма-излучения,выполненный полупроводниковым, расположены с одной стороны от средства удержания исследуемого материала или детектор гамма-излучениярасположен внутри указанного средства, причем детектор гамма-излучениянаходится в потоке тепловых нейтронов, а количество эамедлителя, поменьшей мере частично представляющего собой тяжелую воду, между ис 1033 6точником быстрых нейтронов и детектором гамма-излучения выбрано из условия попадания на детектор за заданный период времени не более чем заданного количества быстрых нейтронов. 2. Устройство по п.1, о т л и "ч а ю щ е е с я тем, что эамедлитель 10 выполнен в виде графитового тела сконической полостью, заполненнойтяжелой водой и большим основаниемобращенной к средству удержания исследуемого материала, источник быст рых нейтронов расположен со стороныменьшего, а детектор гамма-излучения - со стороны большего основанияуказанной полости.3. Устройство по п.2, о т л и - 20 ч а ю щ е е с я тем, что при флюенсеисточника быстрых нейтронов О нейт 2рон/см расстояние в тяжелой водемежду рассеивающим экраном и детектором гамма-излучения составляет неменее 10 см, а расстояние между источником быстрых нейтронов и детектором гамма-излучения - не менее 45 см.Таблица 1В по дел13035, И оизводственно полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проекты Тираж 777осударственногоам изобретений осква, Ж, Р омнтета СС открытий ушская наб.,