Детектор нейтронов

Использование: для дистанционного радиационного контроля и обнаружения источников нейтронов широкого спектра энергий, особо источников нейтронов на основе делящихся материалов и изделий из них при решении профессиональных задач службами Госатомнадзора и МЧС, а также службами специального технического контроля и радиационной разведки,. Сущность: Детектор нейтронов, содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики располагаются на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, дополнительно содержит размещенный между полуцилиндрами замедлителя отражатель-размножитель нейтронов, изготовленный в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелого металла и слоя бериллийсодержащего материала в виде металлического бериллия или керамического оксида бериллия. Технический результат: повышение (вследствие увеличения эффективности регистрации нейтронов широкого спектра энергий) дальности обнаружения источников нейтронов различного типа, особо источников нейтронов в виде делящихся материалов и изделий из них.

Заявляемая полезная модель детектора нейтронов относится к области дистанционного радиационного контроля делящихся материалов (ДМ) и изделий из них. Предлагаемая полезная модель детектора нейтронов пригодна для решения задач службами Госатомнадзора и радиационной разведки, а также службами МЧС с использованием стационарных и мобильных комплексах дистанционного радиационного контроля автомобильного, морского, корабельного и вертолетного базирования, предназначенных для поиска и обнаружения ДМ и изделий из них, а также для поиска и обнаружения нейтронных источников других типов.

Известен детектор нейтронов и гамма-лучей (патент РФ 96107590 от 27.07.1998 г. МПК G01T 1/00, 3/06 авторы Б.В.Шульгин, Д.Б.Шульгин, Л.В.Викторов и др., заявитель УГТУ-УПИ (ныне УрФУ); патент РФ 2207592 от 27.06.2003 г. заявитель НПЦ «Аспект»), содержащий блок (набор) газоразрядных ³Hе-счетчиков и замедлитель нейтронов из водородосодержащего материала, а также модуль управления и обработки сигналов. Однако известный детектор, имеющий в качестве чувствительных элементов газоразрядные ³Hе-счетчики, способные регистрировать только тепловые нейтроны, обладает недостаточно высокой чувствительностью и эффективностью регистрации нейтронов широкого спектра энергий, испускаемых делящимися материалами (область спектра нейтронов деления 0,3÷10 МэВ, основная энергетическая группа нейтронов спектра деления приходится на область 2,5÷4 МэВ).

Известен детектор нейтронов сцинтилляционного типа (патент 4482808 США). Детектор содержит однокристальный сцинтиблок и блок обработки информации. Однако чувствительность нейтронных детекторов сцинтилляционного типа гораздо ниже (в 4-5 раз) чувствительности нейтронных детекторов на основе газоразрядных ³Hе-счетчиков. Известный сцинтилляционный детектор нейтронов имеет невысокую эффективность регистрации нейтронов спектра деления.

Известен детектор нейтронов на основе ⁶Li-силикатного стеклянного сцинтиллятора (патент РФ 2272301, МПК GO1T 1/00, 1/20, 3/06, авторы Д.В.Райков, Б.В.Шульгин, В.И.Арбузов и др. опубл. 20.03.2006 г. Бюл. 8), включающий, кроме сцинтиллятора, замедлитель нейтронов, фотоприемное устройство и блок обработки информации. Однако для известного детектора эффективность регистрации тепловых нейтронов, определяемая сечением реакции ⁶Li (n, a) ³ H равным 940 барн, невысокая по сравнению с чувствительностью детекторов на основе газоразрядных ³Hе-счетчиков, для которого сечение захвата тепловых нейтронов около 4000 барн. Из-за того, что быстрые и промежуточные нейтроны таким детектором не регистрируются, а сечение захвата тепловых нейтронов невысоко, эффективность регистрации нейтронов широкого спектра энергий, испускаемых ДМ, для известного детектора невысокая.

Наиболее близким к заявляемому является детектор нейтронов, пригодный для обнаружения делящихся материалов, с использованием стационарных и мобильных комплексов дистанционного радиационного контроля различного базирования (патент РФ 100294 на полезную модель, авторы Б.В.Шульгин, М.Н.Благовещенский, О.Н.Шутов и др. МПК G01T 1/00, 1/20, 3/06, опубл. 10.12.2010 г. Бюл. 34), содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³Не-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики располагаются на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, состоящий из двух блоков, каждый из которых связан с ³Hе-газоразрядными счетчиками, принадлежащими соответственно первому и второму полуцилиндрам замедлителя. Однако известный детектор нейтронов на базе ³Hе-счетчиков, способный регистрировать только тепловые нейтроны, обладает недостаточно высокой чувствительностью и эффективностью регистрации нейтронов спектра давления, поскольку значительная часть быстрых и промежуточных нейтронов первичного потока нейтронов, испускаемых делящимися материалами, остающаяся в анализируемом потоке нейтронов в зоне контроля, таким детектором не чувствуется и не регистрируется.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка детектора нейтронов на базе ³Hе-счетчиков, обладающего более высокой чувствительностью и эффективностью регистрации нейтронов широкого спектра энергий, испускаемых делящимися материалами и изделиями из них.

Поставленная задача решается с учетом пространственного и энергетического распределения нейтронов, испускаемых делящимися материалами, в воздухе за счет того, что детектор нейтронов, содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³Hе-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики располагаются на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, дополнительно содержит размещенный между полуцилиндрами замедлителя отражатель-размножитель нейтронов, изготовленный в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелых металлов и слоя бериллийсодержащего материала в виде металлического бериллия или керамического оксида бериллия.

Схема предполагаемого детектора нейтронов приведена на Фиг.1. На схеме приведены основные элементы предлагаемого детектора нейтронов: размещенные в едином корпусе (корпус на Фиг.1 не показан) параллельно друг другу газоразрядные ³ Hе-счетчики 1, удерживаемые с помощью элементов крепежа 2, замедлитель нейтронов 3 из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из двух прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики располагаются на внешней стороне полуцилиндров в один слой (для данного примера), дополнительный отражатель-размножитель нейтронов 4, а также модуль управления и обработки сигналов, состоящий из двух блоков 5 и 6. Набор газоразрядных ³Hе-счетчиков может содержать от 10 (и менее) до 24 (и более) счетчиков. На Фиг.1 в качестве примера показан однослойный блок из 18 ³Hе-счетчиков, расположенных по образующей цилиндра.

Дополнительный отражатель-размножитель нейтронов 4 в приведенном примере изготовлен в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя нержавеющей стали, а также слоя металлического бериллия или слоя керамического оксида бериллия. Слой из нержавеющей стали служит отражателем для быстрых нейтронов, а слой из керамического оксида бериллия служит отражателем для тепловых нейтронов и одновременно служит размножителем для быстрых (>2,5 МэВ) нейтронов вследствие (n, 2n)-реакции.

Для работы предлагаемый детектор нейтронов помещают в поле нейтронного излучения, создаваемого делящимися материалами или другими нейтронными источниками, подлежащими обнаружению. Оценка пространственного и энергетического распределения нейтронов в воздухе, испускаемых подлежащими обнаружению делящимися материалами, проведена и описана ниже с использованием известных методик (А.Н. Климов. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Энергоатомиздат. 1985. 352 с. Материалы ядерные делимые. Термины и определения. ГОСТ 22574-77. М.: Стандартиздат.1977. С.М.Фейнберг, С.Б.Шихов, В.Б.Троянский. Теория ядерных реакторов т.1. Элементарная теория реакторов. Москва. Атомиздат. 1978. 400 с.) при следующих условиях и приближениях:

- Воздух моделируется сплошной азотной средой.

- Рассматривается третья (основная) энергетическая группа нейтронов в приближении 26 группового разбиения спектра деления нейтронов, интервал энергий третьей группы 2,5-4 МэВ, средняя энергия этих нейтронов приближенно равна Е_ср =3 МэВ.

- Доля третьей энергетической группы в спектре деления =0,188.

- Давление в азотной среде - 1 бар, температура 300 К.

- Массовая плотность азота, р=1,12-10^-3 г/см³.

- Массовое число для азота М=14.

- Микроскопическое сечение рассеяния нейтронов на ядрах азота _s=1,45 барн.

- Микроскопическое сечение перевода нейтронов за счет упругого рассеяния из третьей группы в нижележащие группы _R=0,4 барн.

- Микроскопическое сечение радиационного захвата _C=0,2 барн.

- Средний косинус рассеяния Cos=0,21.

- Микроскопическое сечение транспортное _STR=_S·(1-Cos).

- Средний логарифм потери энергии на один акт рассеяния -=0,113.

- Ядерная плотность азота

- Макроскопическое сечение рассеяния _S=_S·N_Я=6,95·10^-5 см^-1.

- Макроскопическое сечение транспортное _STR=_STR·N_Я=5,5·10^-5 см^-5.

При этих приближениях возраст нейтронов в азотной среде для третьей энергетической группы в интервале энергий от Е_ср=З МэВ до энергий нейтронов, соответствующих тепловой группе Е_т=0,0253 эВ, может быть определен по формуле:

Среднюю длину миграции таких нейтронов в тепловую группу определим из выражения

.

Микроскопическое сечение упругого рассеяния для ядер азота растет по мере уменьшения энергии нейтронов и стабилизируется для энергий (5 кэВ, при этом его величина составляет ~10 барн. Эта величина использовалась при оценке предельной минимальной длины миграции нейтронов третьей энергетической группы. Дополнительно были определены:

Макроскопическое сечение рассеяния _S=_S·N_Я=4,8·10^-4 см^-1.

Микроскопическое сечение транспортное _STR=_S·(1-Cos)=10·(1-0,21)=7,9 барн.

Макроскопическое сечение транспортное -

_STR=_STR·N_Я=7,9·10^-24 ·4,8·10¹⁹=3,8·10^-4 см ^-1.

Далее был определен возраст нейтронов - в азотной среде для третьей энергетической группы в интервале энергий от Е_ср=3 МэВ до энергий нейтронов, соответствующих тепловой группе E_т=0,0253 эВ при максимально возможной эффективности замедления:

Это позволяет определить (оценить) среднюю длину миграции таких нейтронов в тепловую группу с помощью выражения:

.

Для предельной минимальной длины миграции нейтронов в тепловую группу при грубой оценке можно предположить равенство транспортного сечения сечению рассеяния, тогда средняя длина миграции таких нейтронов в тепловую группу оказывается равной 3,76·10⁴ см 0,37 км.

Таким образом, проведены оценки предельно- минимальных 0,37-0,41 км, и максимальных значений, 3 км, длин миграции нейтронов в тепловую группу. Реальные значения этих величин будут ближе к 0,6-0,8 км. Расчеты показывают, что если нейтронный детектор находится от источника на расстоянии 0,37-3 км, до него доходит только 4-5% нейтронов, замедлившихся до тепловой энергии 0,0253 эВ. При исходной плотности потока (от подлежащего обнаружению) источника нейтронов 10³ -10⁴ н/см²·с это составляет от 10 до 100 тепловых нейтронов в точке регистрации, что позволяет их достаточно надежно регистрировать. При этом быстрые нейтроны, достигающие, как и нейтроны, замедлившиеся до тепловых энергий, точки контроля, детектором не регистрируются, если нет замедлителя.

Из нейтронов спектра деления, входящих в третью энергетическую группу, непосредственно остаются в ней до процесса термализации, как показывают оценки, около 13% нейтронов. Суммарная же доля нейтронов с энергией более 2,5 МэВ в спектре деления составляет порядка 30%. Если увеличить эффективность регистрации этой доли нейтронов, то будет существенно увеличена суммарная эффективность регистрации нейтронов широкого спектра энергий. Для этой цели в предлагаемом детекторе нейтронов имеется не только замедлитель нейтронов, но и отражатель-размножитель нейтронов, что повышает эффективность регистрации нейтронов спектра деления. Предлагаемый детектор работает следующим образом. Тепловые нейтроны от источника нейтронов (ДМ) спектра деления (0,3-10 МэВ, замедлившиеся до тепловых энергий 0,0253 эВ, непосредственно регистрируются газоразрядными ³He-счетчиками. Роль элементов (слоев) отражателя-замедлителя сводится к следующему. Слой бериллийсодержащего материала, во-первых, увеличивает плотность потока группы быстрых нейтронов, имеющих энергию Е>2,5 МэВ в 2 раза вследствие реакции (n, 2n) и соответственно увеличивает долю нейтронов, мигрирующих в тепловую групп, то есть увеличивает эффективность регистрации первичных нейтронов спектра деления. Кроме того, металлический бериллий или его оксид являются идеальными отражателями для тепловых нейтронов и возвращают значительную часть часть тепловых нейтронов в зону действия ³He-счетчиков, что также увеличивает эффективность регистрации исходных, первичных нейтронов спектра деления, испускаемых делящимися материалами. Слой отражателя-размножителя из тяжелых металлов (в приведенном примере из нержавеющей стали) вызывает эффективное отражение быстрых нейтронов первичного потока, их возврат в зону действия замедлителя из водородсодержащего материала, последующего замедления до тепловых энергий, возврат и регистрацию в зоне действия ³He-счетчиков, что повышает общую эффективность регистрации нейтронов спектра деления предлагаемым детектором нейтронов. Суммарный эффект увеличения эффективности регистрации нейтронов спектра деления предлагаемым детектором нейтронов по максимальной оценке равен 100-250%, по минимальной оценке повышение эффективности составит не менее 40÷80%.

Предлагаемый детектор нейтронов (вследствие увеличения эффективности регистрации нейтронов широкого спектра энергий) обеспечивает новый технический результат: повышение дальности обнаружения источников нейтронов различного типа, особо источников нейтронов широкого спектра энергий в виде делящихся материалов и изделий из них.

Повышение дальности обнаружения источников нейтронов различного типа, особо источников нейтронов, испускаемых делящимися материалами и изделиями, их содержащими, более эффективно проявляется во время работы на открытых морских акваториях при использовании корабельных носителей, поскольку в этих условиях в чисто воздушной среде нет дополнительных рассеивателей и поглотителей нейтронов, (отсутствуют строения, лесные массивы, как это имеет место в случае наземного радиационного мониторинга), а водная поверхность служит эффективным отражателем нейтронов

1. Детектор нейтронов, содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики размещены на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что дополнительно содержит размещенный между полуцилиндрами замедлителя отражатель-размножитель нейтронов.

2. Детектор нейтронов по п.1, отличающийся тем, что отражатель-размножитель нейтронов изготовлен в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелого металла и слоя бериллийсодержащего материала.