Фотоядерное устройство

Фотоядерное устройство относится к области анализа материалов радиационными методами, и может быть использовано для обнаружения ядерных материалов, в том числе делящихся веществ, экранированных содержимым анализируемых объектов (большие морские контейнеры, автомобили, вагоны, здания и т.д.) без их вскрытия и обеспечивает повышенную точность измерения количества ядерных материалов. В фотоядерном устройстве, содержащем ускоритель импульсного электронного пучка с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, конвертер для преобразования энергии ускоренных электронов в энергию тормозного излучения, фильтр электронов для поглощения электронов после прохождения конвертера, коллиматор для формирования узконаправленного потока тормозного излучения, детекторы нейтронов, электронную аппаратуру для регистрации сигналов с детекторов нейтронов, фильтр электронов выполнен в виде набора гальванически изолированных металлических пластин, заряд, наведенный на каждой пластине при прохождении электронов, измеряется многоканальным регистратором, по распределению заряда на пластинах определяется отклонение энергии и тока электронного пучка от номинального значения, по отклонению энергии и тока электронного пучка от номинального значения вычисляется относительное изменение выхода нейтронов, количество регистрируемых нейтронов нормализуется на относительное изменение выхода нейтронов, что позволяет уменьшить погрешность, обусловленную флуктуациями выхода нейтронов, и увеличить точность измерения количества ядерных материалов. 1 н.п. ф-лы, 4 ил.

Решение относится к области анализа материалов радиационными методами, измерения вторичной эмиссии при облучении тормозным излучением и может быть использовано для обнаружения ядерных материалов, в том числе делящихся веществ, экранированных содержимым анализируемых объектов (большие морские контейнеры, автомобили, вагоны, здания и т.д.) без их вскрытия.

Фотоядерный метод обнаружения ядерных материалов основан на облучении анализируемого объекта импульсным высокоэнергетичным тормозным излучением и регистрацией нейтронов, выходящих из ядерных материалов в результате фотоядерных реакций. Энергия тормозного излучения выбирается выше порога фотоядерных реакций в ядерных материалах (2,2-6 МэВ), но ниже порога фотоядерных реакций (<10 МэВ) в наиболее распространенных химических элементов, входящих в состав конструкционных материалов или содержащихся в окружающей среде (почве, зданиях) и бытовых предметах. Основной фон (нейтроны, выходящие из анализируемого объекта при отсутствии в нем ядерных материалов) обусловлен наличием в природном составе химических элементов изотопов с малым порогом фотоядерных реакций, например, изотоп углерода ¹³С с порогом (,n) реакции 4,9 МэВ, изотоп кислорода ¹⁷О с порогом (,n) реакции 4,1 МэВ, изотоп железа ⁵⁷Fe с порогом (,n) реакции 7,6 МэВ [1]. Для многих задач дистанционного контроля ядерных материалов фотоядерный метод является практически бесфоновым [1], и количество (масса, процентное содержание) ядерных материалов в объекте пропорционально числу зарегистрированных нейтронов [2]. Погрешность измерения количества ядерных материалов ₀ обусловлена погрешностью измерения числа нейтронов _M и флуктуациями выхода нейтронов _N, которые возникают за счет флуктуациями тока и энергии электронного пучка, создающего тормозное излучение [2]:

За счет стабилизации характеристик аппаратуры и выбора порога регистрации нейтронов погрешность измерения числа нейтронов _M может быть уменьшена до величины менее 1%. Исследования уровня флуктуации тока и энергии электронного пучка показывают, что в типичном линейном ускорителе электронов они составляют порядка 5% [1], что приводят к флуктуациям потока нейтронов выше 10%. Таким образом, погрешность измерения количества ядерных материалов определяется, в основном, флуктуациями выхода нейтронов:

Наиболее близким к предложенному устройству (прототипом) является фотоядерное устройство [3], содержащее ускоритель импульсного электронного пучка с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, конвертер для преобразования энергии ускоренного электронного пучка в энергию тормозного излучения, фильтр электронов для поглощения электронов после прохождения конвертера, коллиматор для формирования узконаправленного потока тормозного излучения, детекторы нейтронов, электронную аппаратуру для регистрации сигналов с детекторов нейтронов. Недостатком устройства является то, что вследствие флуктуаций энергии и тока электронного пучка происходят флуктуации выхода нейтронов из анализируемого объекта, в результате чего возрастает погрешность измерения количества ядерных материалов.

Для увеличения точности измерения количества ядерных материалов в фотоядерном устройстве, содержащем ускоритель импульсного электронного пучка с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, конвертер для преобразования энергии ускоренных электронов в энергию тормозного излучения, фильтр электронов для поглощения электронов после прохождения конвертера, коллиматор для формирования узконаправленного потока тормозного излучения, детекторы нейтронов, электронную аппаратуру для регистрации сигналов с детекторов нейтронов, фильтр электронов выполнен в виде набора гальванически изолированных металлических пластин, заряд, наведенный на каждой пластине при прохождении электронов, измеряется многоканальным регистратором, по распределению заряда на пластинах определяется отклонение энергии и тока электронного пучка от номинального значения, по отклонению энергии и тока электронного пучка от номинального значения вычисляется относительное изменение выхода нейтронов, количество регистрируемых нейтронов нормализуется на относительное изменение выхода нейтронов, что позволяет уменьшить погрешность, обусловленную флуктуациями выхода нейтронов. Физической предпосылкой контроля энергии пучка путем измерения распределения заряда в пластинах является зависимость распределения заряда в пластинах от пробега электронов, который зависит от их энергии.

Таким образом, техническим результатом заявленного предложения является увеличение точности измерения количества ядерных материалов.

Указанный технический результат реализован с использованием совокупности существенных признаков, приведенной ниже.

Фотоядерное устройство, включающее ускоритель импульсного электронного пучка, конвертер, фильтр электронов, коллиматор, детекторы нейтронов, электронную аппаратуру для регистрации сигналов с детекторов нейтронов,

причем

фильтр электронов выполнен в виде набора гальванически изолированных металлических пластин, устройство дополнительно снабжено средством для измерения заряда, наведенного на каждой из гальванически изолированных металлических пластин, выполненным в виде многоканального регистратора и, последовательно взаимозависимо связанными, средством определения отклонения энергии и тока электронного пучка от номинального значения, средством вычисления относительного изменения выхода нейтронов, средством нормализации количества регистрируемых нейтронов на относительное изменение выхода нейтронов.

Описанная совокупность существенных признаков предложенного фотоядерного устройства, поясняется следующим: имеется ускоритель электронов с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, конвертер для преобразования энергии ускоренных электронов в энергию тормозного излучения, фильтр электронов для поглощения электронов после прохождения конвертера, детектор нейтронов, электронная аппаратура для регистрации сигналов с детектора нейтронов, при этом,

фильтр электронов выполнен в виде набора гальванически изолированных металлических пластин, общая толщина пластин по металлу определяется из условия полного поглощения электронов, материал - алюминий, количество пластин - не менее двух;

наведенный на пластинах заряд измеряется многоканальным регистратором, преобразующим заряд в цифровое значение разрядностью не менее 8 бит;

предварительно производится численный расчет или измерение зависимости распределения заряда на пластине от номера пластины при разных энергиях пучка W в диапазоне возможных отклонений пучка по энергии; по этим данным определяется калибровочная зависимость 1 в виде W=F(q₁,q_2,..q _i,..q_N) и калибровочная зависимость 2 в виде Q=(q_1,q_2,..q_i,..q_N ), где q_i - заряд, наводимый на пластине с порядковым номером i, позволяющая определить энергию W_e и заряд Q_e, переносимый током за импульс, электронного пучка, по измеренной в рабочем режиме зависимости распределения заряда на пластине от номера пластины;

в рабочем режиме по измеренному распределению заряда с пластин с помощью калибровочной зависимости 1 и 2 вычисляется энергия W_e и заряд, переносимый током за импульс, Q_e электронного пучка;

предварительно производится численный расчет или измерение зависимости количества регистрируемых нейтронов от энергии W и и заряда Q, переносимый током за импульс, электронного пучка в диапазоне возможных отклонений пучка по энергии; по этим данным строится калибровочная зависимость 3 в виде Y=f(W,Q);

с помощью калибровочной зависимости 3 вычисляется поправочный коэффициент , где W₀ - номинальное значение энергии и Q ₀ - номинальное значение заряда;

количество регистрируемых нейтронов N_em корректируется: N _e=N_em·/k.

В уровне техники не известно средство того же назначения, что и заявленная полезная модель, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы полезной модели существенные признаки, включая характеристику назначения, следовательно, предложенное устройство является новым.

Предложенное устройство может быть использовано в промышленности в системах физической защиты ядерных объектов, в системах таможенного контроля контейнеров и транспортных средств на предмет выявления в них ядерных материалов. Предлагаемое устройство позволяет определить наличие и измерить количество ядерных материалов в контролируемых объектах без нарушения целостности объекта. Следовательно, предложенное устройство является промышленно применимым и социально приемлемым.

На Фиг.1 представлена блок-схема предложенного устройства, где позициями обозначены:

1 - электронный ускоритель,

2 - электронный пучок,

3 - конвертер,

4 - тормозное излучение,

5 - гальванически изолированные пластины фильтра,

6 - многоканальный регистратор,

7 - коллиматор,

8 - контейнер,

9 - нейтронные детекторы,

10 - ядерный материал.

На Фиг.2. представлена: Геометрия расположения нейтронных детекторов относительно контейнера.

Соответственно, на фиг.2 обозначены:

8 - контейнер,

9 - нейтронные детекторы.

Длина детектора Ld=300 см, высота детектора Hd=260 см, ширина детектора Wd=80 см, длина контейнера Lc=240 см, высота контейнера Нс=240 см, расстояние от детектора до оси распространения тормозного излучения Sd=20 см, расстояние от детектора до боковой стенки контейнера Sc=20 см, расстояние от детектора до крыши контейнера Dc=30 см.

На Фиг.3. показана: Зависимость заряда, наводимого при прохождении пучка на пластинах фильтра от номера пластины при разных энергиях пучка. Данные нормированы на заряд Q, переносимый током пучка за импульс.

На Фиг.4. показана: Зависимость вероятности регистрации нейтронов n_e от энергии пучка. Данные нормированы на 1 электрон пучка.

Заявляемое устройство функционирует следующим образом. Из ускорителя 1 выходит импульсный электронный пучок 2 и преобразуется конвертером 3 в тормозное излучение 4. Пластины фильтра 5 задерживает оставшиеся электроны, заряд с пластин измеряется многоканальными регистраторами 6. Коллиматор 7 формирует остронаправленный пучок тормозного излучения 4, который облучает контейнер 8. Нейтронные детекторы 9 регистрируют нейтроны из ядерного материала 10.

При конкретной реализации способа:

- электронный ускоритель 1 создает импульсный пучок с номинальной энергией W₀=9 МэВ, импульсным током 100 мА, длительностью импульса 1 мкс, частотой повторения импульсов 100 Гц, таким образом, заряд, переносимый за импульс Q₀=0,1 мкКл;

- расположение детекторов нейтронов относительно контейнера представлено на Фиг.2 [4], конструкция детекторов взята из работы [5];

- ядерный материал представляет собой уран-235, расположенный в центре контейнера;

- контейнер заполнен алюминием средней плотности 0,5 г/см³;

- длительность облучения контейнера 7 равна 1 сек;

- флуктуации энергии пучка ускорителя составляют 5%, флуктуации тока - 5% [1];

- конвертер 2 из меди толщиной 0,8 мм преобразует пучок электронов в поток тормозного излучения 3 с максимальной энергией 12 МэВ;

- за конвертером 2 установлены гальванически изолированные пластины фильтра 4 из алюминия толщиной 7 мм каждая, всего 3 пластины;

- каждая пластина подключена к многоканальному зарядочувствительному усилителю типа СА-2614, изготавливаемого ООО «Центр АЦП» [6], преобразующему заряд, наводимый на пластине фильтра 4 при прохождении каждого импульса пучка, в аналоговое напряжение;

- аналоговое напряжение с помощью многоканального амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) типа ЛА-1.5РСI-У, изготавливаемого ЗАО «Руднев-Шиляев» [7], преобразуется в цифровое значение и поступает в ЭВМ в виде зависимости заряда, наводимого на пластине, от номера пластины;

- с помощью программы GEANT 3.21 [8] предварительно рассчитано распределение заряда, наводимого на пластине, от номера пластины, при разных энергиях пучка (Фиг.3); по этой зависимости вычислена калибровочная зависимость 1, которую можно представить в виде выражения:

,

- и вычислена калибровочная зависимость 2, которую можно представить в виде

.

- с помощью программы GEANT 3.21 предварительно рассчитана зависимость вероятности регистрации нейтронов от энергии пучка (Фиг.4); по этой зависимости вычислена калибровочная зависимость 3, которую можно представить в виде выражения:

.

По измеренному распределению заряда на пластинах с помощью калибровочной зависимости 1 вычисляется энергия W_e и заряд Q_e, переносимый за импульс, электронного пучка. Погрешность определения зарядов на пластинах q₁, q₂, q₃ определяется разрядностью АЦП и составляет менее 1%, соответственно, с такой же погрешностью определяются значения Е_е и Q_e.

Предположим, что после прохождения импульса тормозного излучения значения зарядов на пластинах составили q₁=0,30, q ₂=0,49, q₃=0,16, количество зарегистрированных нейтронов N_em=540. Из калибровочной зависимости 1 определяется энергия W_e=9,5 МэВ, из калибровочной зависимости 2 находится заряд Q_e=0,95·Q₀ . По калибровочной зависимости 3 вычисляется поправочный коэффициент . Скорректированное значение количества зарегистрированных нейтронов N_e=329.

В предлагаемом устройстве влияние флуктуаций выхода нейтронов скомпенсировано с погрешностью, определяемой погрешностью измерения заряда на пластинах с помощью АЦП (<0,001), погрешность измерения количества ядерного материала может быть уменьшена по сравнению с устройством-прототипом более, чем в 10 раз.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ:

1. Бурмистенко Ю.Н. Фотоядерный анализ состава вещества. М.: Энергоатомиздат, 1986, 200 с.

2. Гольданский И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И.. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М.: Физматгиз, 1959, 411 с.

3. Mastny G.F.: Detection of subsurface fissionable nuclear contamination through the application of photonuclear techniques United States Patent 5495106.(Номер патента: US 5495106 (А), Дата публикации: 1996-02-27, Изобретатель(и): MASTNY GARY F [US], MПK: G01V 5/12; G01V 5/00; Номер заявки: US 19940320612 19941006 - прототип.

4. Бакаляров А.М., Бондур В.Г., Германов А.Б. и др. Характеристики мгновенного, запаздывающего и задержанного излучения при контроле сильноэкранированных делящихся веществ с помощью импульсного фотоядерного метода // Атомная энергия, 2010, Т.109, В.7, С.38-46.

5. Бакаляров A.M., Германов А.Б., Каретников М.Д. и др. Оптимизация нейтронного детектора для контроля делящихся веществ с помощью импульсного фотоядерного метода // Атомная энергия, 2009, Т.106, В.1, С.48-52.

6. Продукция ООО «Центр АЦП», http://www.centeradc.ru.

7. Продукция ЗАО «Руднев-Шиляев», http://www.rudshel.ru.

8. GEANT3.21 Detector Description and Simulation Tool, Manual, CERN Program Library, CERN Geneva, Switzerland, 1993.

Фотоядерное устройство, включающее ускоритель импульсного электронного пучка, конвертер, фильтр электронов, коллиматор, детекторы нейтронов, электронную аппаратуру для регистрации сигналов с детекторов нейтронов, отличающееся тем, что фильтр электронов выполнен в виде набора гальванически изолированных металлических пластин, устройство дополнительно снабжено средством для измерения заряда, наведенного на каждой из гальванически изолированных металлических пластин, выполненным в виде многоканального регистратора, и последовательно взаимозависимо связанными средством определения отклонения энергии и тока электронного пучка от номинального значения, средством вычисления относительного изменения выхода нейтронов, средством нормализации количества регистрируемых нейтронов на относительное изменение выхода нейтронов.