Способ измерения нейтронных сечений

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ . Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(23) Приоритет -Опубликовано 07.09.81, Бюллетень М ЗЗДата опубликования описания 10,09.81(5)М. Кд.601 Т 1/34 601 Т 3/00 Гоеударствеииый комитет СССР по делам изобретеиий и открытий(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ СЕЧЕНИЙИзобретение касается измерения ядерных излученийи может быть использовано дпя получения нейтронных сечений, необходимых для создания более экономичных ядерных энергетических реакторов, особенно реакторов-размножителей на бы 5 стрых нейтронах, для более точных расчетов защит от нейтронного излучения и т.п. Известны способы измерения нейтрон 1 О ных сечений путем регистрации а -квантов и нейтронов, в которых используется один из следующих способов идентифика- ции различных видов сечений:измеряют величину энерговыделения в сцинтилляционном 47 -дегекторе, выэванвого а -квантами 11 3используют сцинтилляционный детектор, действующий на основе принципа МайерЛейбница Ы:используют сцингилляционный модифицированный детектор Моксона-Раэ 33;измеряют совпадения а. -излучения с излучением нейтронов 41; используют метод пропускания нейтронов 53,Однако точности измерения нейтронных сечений и их отношений этими способами невысоки, поскольку сечение захвата получается с большей примесью сечений рассеяния и деления, а в полное сечение входят погрешности, связанные с переходом от величины пропускания к величине сечения. Ни один иэ известных. способов не позволяет получать одновременно нейтронные сечения рассеяния, захвата, деления и полное сечение, вследствие чего невозможно достаточно точно учесть поправки, связанные с нечеткой индентификацией актов рассеяния, захвата и деления.Для измерения этими способами даже неполной совокупности нейтронных сечений необходимо испольэовать раэли чные установки, что снижаег точность получаемых данных.Известен способ измерения нейтронных сечений, который позволяет одновременно йзмеригь эти сечения и получать данныео наиболее высокой точности и который выбран в качестве прототипа. В этом способе с помощью системы независимо работающих детекторов измеряют суммарное количество T -квантов и нейтронов, образующихся в каждом акте взаи-. модействия падающих нейтронов с исследуемыми ядрами (множественность вторичного излучения), суммарное энерговыдепение в системе детекторов и распределение числа зарегистрированных актов в зависимости суммарного количества у -квантов и нейтронов, т.е. от множественности вторичного излучения и величины суммарного энерговыделения в системе детекторов 63. Число зарегистрированных актов является суммой чисел актов рассеяния, захвата и деления, Поэтбму распределение числа зарегистрированных актов в зависимости от множественности вторичного излучения и суммарного энерговыделения в системе детекторов, т,е. спектр множественности вторичного излучения, представляет собой сумму распределений, соответствующих реакциям рассеяния, захвата и деления (сумму спектров множественности рассеяния, захвата и деления), Из суммарного спектра множественности вторичного излучения выделяют спектры множественности рассеяния, захвата и деления, на основании которых определяют числа актов соответствующих реакций. Из этих чисел известными методами определяют сечения рассеяния, захвата, деления и полное сечение, Выделение спектров множественности рассеяния, захвата и деления из суммарного спектра множественности производят на основании того обстоятельства, что при разных реакциях множественность вторичного излучения и суммарное энерговыделение в системе детекторов различны, и поэтому спектры множественности рассеяния, захвата и деления сосредоточены в разных участках суммарного спектра множественности и тем самым разделены друг ог друга.Однако точности измерения нейтронных сечений делящихся ядер и их отношений таким способом недостаточно высоки. Это является следствием того, что из суммарного спектра множественности вторичного излучения делящихся ядер не удается с высокой степенью точности выделить спектры множественности захвата и деления. Последнее приводит к тому, что числа актов захвата и деления, и следовательно, сечения соответствующих реакций, полное нейтронное сечение и отношения этл сеченийФ определяются с недостаточно высокой точностью,При измерении одного только суммарного спектра множественности вторичногоизлучения делящихся ядер числа актов захвата и деления можно получить с высокойточностью лишь в том случае, когдаспектры множественности захвата и деления полностью разделены в суммарномспектре множественности. Однако, как показывают измерения на установках с чис-.лом независимо работающих детекторов(М ) до 46 и с эффективностью регистрации одного у -кванта всей системой детекторов (Е ,) до 0,9 спектры множественности захвата и деления заметно перекрываются в суммарном спектре множественности. Наличие области перекрытия непозволяет выделить с высокой точностьюспектры множественности захвата и деления, поскольку неизвестными остаютсяучастки этих спектров в области их перекрытия, Область перекрытия можно было бы уменьшить дальнейшим увеличениемМ и г. . . Однако такое увеличениеприводит к существенному увеличениюобъема сцинтилпятора системы детекторов, вследствие чего резко увеличивается число событий естественного фона,30регистрируемое системой детекторов. Последнее приводит к значнтепьному ухудшению точности получаемых результатов.Для того, чтобы определить участкиспектров множественности захвата и деления в области их перекрытия, приходится выдвигать определенные предположения о форме спектров множественностизахвата и деления в области перекрытия,а также прибегать к сложным расчетам,Известный способ не допускает проверки40достоверности этих предложений, Болеетого, известно, что предложения включают в себя большие неопределенности, Сдругой стороны, в расчетах используютсяопределенные приближения. Все это приводит к тому, что участки спектров множественности захвата и деления в областиих перекрытия определяются со значительной погрешностью (до 30%). Вследствиеэтого падает точность определения спекг 50 ров множественности захвата и деления, и,следовательно, нейтронных сечений и ихотношений,Цель изобретения - повышение точносги измерения нейтронных сечений делящих55 ся ядер и их отНошений,Для этого в известном способе иэмерения нейтронных сечений путем измеренияс помощью системы независимо рабогаю86 098 щих детекторов суммарного количества-квантов и нейтронов, образующихся вкаждом акте взаимодействия падающихнейтронов и исследуемыми ядрами, измерение суммарного энерговыделения в системе детекторов и распределение числазарегистрированных актов в зависимостиот суммарного количества у -квантов инейтронов и величины суммарного энерговыделения в системе детекторов, одновременно идентифицируют акты деленияпутем разветвления импульса, характеризующего суммарное энерговыделение в системе детекторов, по двум каналам, задержки импульса в одном иэ каналов относительно импульса в другом канале ирегистрации совпадения импульсов в обоих каналах, измеряют суммарное количество у - квантов и нейтронов, образующихся в каждом идентифицированном акте дедения, и распределение числа идентифицированных актов деления в зависимости отсуммарного количества у -квантов и цейт.роков, после чего по измеренным распределениям определяют нейтронные сечения.Измерение распределения числа идентифицированных актов деления в зависимостиот суммарного количества " -квантов инейтронов (спектр множественности идентифицированного деления) позволяет с высокой точностью выделить спектры множественности захвата и деления из суммарного спектра множественности, поскольку при этом выделении не используютсяпредположения и,расчеты, вносящие значительные погрешности,На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предложенного способа; на фиг. 2 - суммарцый спектр множественности Р (к) (точки) и спектрмножественности идентифицированного дедения Г (к) (крестики) ддя урана,измренные с помощью системы из И =46сцинтилляционных детекторов с Е-=0,9:,на фиг. 3 - измеренный на той же установке спектр множественности захватадля зопота; на фиг. 4 - спектр множественности захвата Р (к) (точки) испектр множественности деления Р (к)(крестики), подученные .на основании данных, приведенных на фиг, 2. Устройство для реализации предлагаемого способа содержит образец из исследуемых ядер 1, независимо работающие" -детекторы 2, (и, г)- конвертор 3,фотоумножители 4, анализирующую и контролирующую аппаратуру 5.Способ осуществляют следующим образом,6Образец из исследуемых ядер 1 помещают на коллимированный пучокпадающих нейтронов 6 и окружают системой независимо работающих детекторов 2, образующей 44 -геометрию, Между образцом1 и системой детекторов 2 помещают(п,)-конвертор 3, содержащий, например, бори ядра, замедляющие нейтроны. Конвертор 3 служит для преббраэова 10 ния нейтронов 7, образующихся при взаимодействии падающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами образца 1, в у -кванты,Нейтроны 7 захватываются ядрами бора 10 и дают у -кванты .8. Один нейтрон в15 этой реакции конвертируется в один у -квант с энергией 480 кэБ.При каждом акте взаимодействияпадающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами образца 1 с помощью-детекторов2 измеряют суммарное количество всеху -квантов, т.е, г -квантов 9, образуюшихся при взаимодействии падающих нейтронов 6 с исследуемыми ядрами образца 1, и " -квантов 8, а также суммарр 5 ное энерговыделение Е, в сыстеме 7детекторов 2, вызванное всеми у-квантами, Суммарное чисдо всех у -квантов(множествецность втори шаго излучения)получают по кратности (к) совпадения импульсов от 1 -детекторов 2, Затем измеряют распределение числа зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества 3=квантов и величины суммарногоэнерговыделения, т,е. суммарный спектрмножественности вторичного излучения.35Спектр множественности рассеянияполностью содержится в части 5 (к) суммарного спектра множественности, соответствующей суммарному энерговыдедению40Е= 480 кэВ, в системе " -детекторов2, поскольку при рассеянии образуетсяодин нейтрал 7, который преобразуетсяконвертором 3 в один у -квант 8 с энергией 480 кэВ. Причем для актов рассеяния к=1. Таким образом, число событий45Р = Я (к=1), зарегистрированных вспектре б (к), есть число актов рассеяния,Участок Р" (к) суммарного спектрамножественности, соответствующий значе 50ниям суммарного энерговыделения Е У)480 кэВ (см, фиг.2), является суммойспектров множественности захвата Р(к)и деления Р(к), поскольку как при захвате, так и при делании выделяется энергия в несющько МэВИз спектра Р+ (к)выделяют спектры множественности захвата Р(к) и деления Г(к), Осуществляютэто сдедующим образом, 66209 ЬИдентифицировать все акты деления, зарегистрированные системой г-детекторов 2, невозможно. Поэтому спектр множественности идентифицированного деления Рф(к) не будет тождественно равен спектру множественности деления Р (к), который необходимо выделить из спектра Рф(к). Однако поскольку оба спектры Р(к) и Рф(к) являются характеристиками одного и того же процесса (деления), "очи име 50 Одновременно с измерением суммарного спектра множественности идентифицируют акты деления путем разветвле-. ния импульса, характеризующего суммарное энерговыделение в системе " -детекторов 2, по двумя каналам, задержки им. пульса в данном иэ каналов относительно импульса в другом канале и регистрации совпадения импульсов в обоих каналах, Смысл этих операций заключается в сле дующем. При делении наряду с у -квантами 9 образуются нейтроны 7. В тех случаях, когда нейтроны деления 7 не преобразуются конвертором 3 в 2" -кванты, они попадают в у -детекторы 2 и регистрируются по своему захвату в веществе детектора. При этом импульс, характеризующий суммарное энерговыделение в системе детекторов 2 от регистрации нейтронов деления 7, будет задержан на 20 некоторое время Тотносительно импульса, характеризующего суммарное энер- говыделение ог регистрации у -квантов 8 и 9, поскольку нейтрон деления 7 до своего захвата блуждает некоторое время в системе детекторов 2, Поэтому, если импульс, характеризующий суммарное энерговыделение в системе у -детекторов 2, разветвить по двумя каналам, задержать импульс в одцсм из каналом на время фК,относительно импульса в другом канале изатем пустить их на совпадение, то регистрация импульсов совпадения этих двухканалов будет свидетельствовать о том,что произошел акт деления. При захватев отличие от деления нейтроны 7 не об 35разуются, и совпадение импульсов двухканалов не имеет места,Наряду с идентификацией актов деленияс помощью 2" -детекторов измеряют множественность вторичного излучения, обра 40зующегося и каждом идентифицированномакте деления, а также распределение числа идентифицированных актов деления взависимости от множественности вторичного излучения - спектр множественности 45идентифицированного деления Р (к) (см.фиг. 2)ют одинаковую форму, г,е, отличаются нанекоторый постоянный множительГ(ь): сс в "(к)(1) Х" РЖР (К) КНРИ Ксе3 Р+(к)К 8Р (к) НРИ К)8 Г(К= Р(К)- Е (К)Из выделенных спектров множественности рассеяния 6 (к), захв.та Г(к) и деления Р(к) определяют числа . ктов соответствующих процессов Ре,ь 8(к=1), Р у = =Е Р(к) тР ЕГ(к).Из этих чисел извест-; ными методами определяют сечения рассеяния, захвата и деления. Полное нейтронное сечение определяют по сумме Р+ Ру+Ру,Изобретение позволяет повысить точ. ность измерения нейтронных сечений делящихся ядер и их огисвпений, получить точности, требуемые для оптимизации ядерных энергетических реакгсров, особенно реакторов размножителей на быстрых нейтронах, а также оптимизации внешнего топливного цикла. Например, с помощью предложенного способа абсолютное значение отношения сечений захвата и деления уранав области энергий нейтронов 0,1-30 кэВ впервые было измерено с требуемой для этой цели точностью - лучшей 5%, тогда как с помоПостоянный множитель с(, опреа ляют следующим образом,Как показывают измерения спектрамножественности захвата для ядер в широкой области энергий связи нейтрона Впи с различной плотностью уровней роткоторых зависит спектр множественностивторичного излучения, события захватапри кратностях совпадения к ) 8 не регистрируются (см. фиг. 3), Таким образом,в спектре множественности Р (к) в области к8 регистрируются только события деления, г,е, в области к ) 8спектры Р"(к) и )," (к) совпадают, Поэто-.му для области к ) 8 в формуле (1)вместо Г(к) можно подставить Р (к):Р (К)8)=Р (К)8)сЬ,Отсюда получаем= Р (К)/Е Р(к), (ЦК)8 К 8При помощи формул (1) и (2), используяцмер 6 нные спектры множественностиР (;с) и Г (к), определяют спектры множественности деления Р(к) и захвата Г(к)9 8 щью известного способа эта величина была измерена с точностью 25%.Экономический эффект указанной оптимизации проявляется в исключении возможности ошибочного выбора неперспективной концепции реактора будущего, которая привела бы к убыткам порядка стоимости отрасли промышленности по производству и переработке тепловыделяющихся элементов реактора. Формула изобретения Способ измерения нейтронных сеченийпутем измерения с помощью системы независимо работающих детекторов суммарного колнчества у -квантов и нейтронов, образующихся в каждом акте взаимодействия падающих нейтронов с:исследуемыми ядрами, измерения суммарного .1энерговыделения в системе детекторов и распределения Йсла зарегистрированных актов в зависимости от суммарного количества у-квантов и нейтронов и величины суммарного энерговыделения в системе детекторов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения нейтронных сечений деля:- шихся ядер и их отношений, одновре менно идентифицируют акты деления путем 62095 10разветвления импульса, характеризующего суммарное энерговыделение в систеМедетекторов, по двум каналам, задержки импульса в, одном из каналов относительно5ймпульса в другом канале и регистрациисовпадения импульсов в обоих каналах,измеряют суммарное количество г -квантов и нейтронов, образующихся в каждомидентифицированном акте деления, и рао 10 пределение числа идентифицированных актов деления в зависимости от суммарногоколичества у -квантов и нейтронов, после чего по измеренным распределениямопределяют нейтронные сечения,15Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1.ЬФ ЯФее 1 оп Ф.,ае важеоге Вл,а.йосВРе 1, 1 пфп 1970,Ч.,40, р,306,2.Ь 11 тт Э,Е.,Мпави ЗМоей Ве.Енбп,д 1970,Ч, 41,р. 50,щ Зд 1 оп 1 Ъртп; Ма,ЬоаегМ 4 6 бйоклад Сй/ЗЗ на Межд. конференцииМо ядерным данным, Хельсинки,1970.4, Рябов Ю,ВСон Йон Сик,Чиков Н.и Ф. Препринт ОИЯИ Р 3-5113, ОубнаСоставитель В, Макаров Техред Ж,Кастелевич К Реда кт ар Л. Иван. Клюк 6607/41 Тираж 732ВНИИПИ Государственного комитета СССРо делам изобретений и открытий035, Москва, Ж, Раушская набд,одписное 1 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная,