Глава 17

Приборы нейтронных совпадений

èих применение

Õ.О. Менлав (Переводчик И. Н. Сазонов)

17.1ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК НЕЙТРОННЫХ СОВПАДЕНИЙ

Âтечение последних лет для неразрушающего анализа (НРА) ядерных материалов широкое распространение получил метод регистрации нейтронных совпадений. Привлекательность этого метода обусловлена прежде всего хорошей проникающей способностью быстрых нейтронов и уникальным соответствием связанных во времени нейтронов процессу деления ядерного материала и, таким образом, его составу.

При проектировании установок нейтронных совпадений в первую очередь необходимо обратить внимание на следующее:

λтип нейтронного детектора;

λматериалы замедлителя и защиты;

λдиапазон масс и другие характеристики измеряемых образц ов.

В общем случае детекторы нейтронных совпадений должны обладать более высокой эффективностью регистрации по сравнению с системами регистрации полного потока нейтронов ввиду необходимости регистрировать по крайней мере два нейтрона. Это требование делает скорость счета совпадений пропорциональной квадрату эффективности детектора. Высокая эффективность обычно достигается хорошей геометрией "детектор-источник" (например, 4π-геометрия или колодезный детектор), а также использованием эффективных детекторов тепловых нейтронов.

В настоящее время большинство установок нейтронных совпадений используют газоразрядные счетчики нейтронов на основе 3He ввиду их высокой эффективности, надежности, стойкости и низкой чувствительности к гамма-фону. Счетчики, наполненные BF3, также иногда используются для уменьшения стоимости или для работы в сильных гамма-полях, однако их эффективность почти в два раза ниже, чем у 3He-счетчиков. Основной недостаток применения счетчиков с наполнением 3He è BF3 в методе нейтронных совпадений состоит в том, что нейтроны должны быть предварительно замедлены путем рассеяния до тепловой энергии перед регистрацией в счетчике, что замедляет процесс, приводя к довольно большому времени жизни нейтронов τ в детекторе. Как результат, ширина ворот совпадений G в электронной схеме должна иметь достаточно большую вели- чину (от 10 до 100 мкс), чтобы зарегистрировать совпадения связанных во време-

502	Х. О. Менлав

ни нейтронов. В итоге большая ширина ворот приводит к увеличению статисти- ческой погрешности при высоких скоростях счета.

Для оптимизации конструкции детекторов нейтронных совпадений на основе 3He-счетчиков было использовано компьютерное моделирование переноса нейтронов с применением методов Монте-Карло. При проектировании должны быть принять во внимание следующие параметры:

λполная эффективность к нейтронам спонтанного деления;

λчувствительность к материалам матрицы образца;

λвремя жизни нейтронов в материале замедлителя детектора ;

λвес и стоимость оборудования.

Установки нейтронных совпадений применяются для анализа контейнеров в широком диапазоне размеров и масс плутония, что делает необходимым уделить особое внимание различным параметрам для достижения заданных характеристик детектора. В главе 14 приведены примеры оптимизации конструкции блоков детектирования тепловых нейтронов при помощи расчетов методом Монте-Кар- ло.

Âнекоторых системах регистрации нейтронных совпадений использовались детекторы отдачи быстрых нейтронов, что позволяет избежать проблемы, связанной с большим временем жизни тепловых нейтронов. Примерами таких детекторов являются жидкие и пластмассовые сцинтилляторы, а также детекторы отда- чи, наполненные газом 4He. К сожалению сцинтилляторы чувствительны к фону гамма-излучения, а детекторы на основе 4He относительно низко эффективны. Примерами систем регистрации совпадений на основе пластмассовых сцинтилляторов являются такие установки как "Рэндом драйвер" (Random Driver), система для анализа изотопных источников ISAS (Isotopic Source Assay System), система для анализа делящихся изотопов ISAF (Isotopic Source Assay Fissile) и ранние модели сканеров топливных стержней. Все они описаны в соответствующих публикациях [1-3].

Âэтой главе акцент сделан на системы, регистрирующие совпадения тепловых нейтронов, ввиду их преобладания в практическом использовании. Многие из этих систем были отработаны до стадии промышленного изготовления оборудования, которое сейчас используется в условиях производства ядерных материалов. В настоящее время инспектора также используют портативное оборудование для проверки содержания ядерного материала, заявленн ого оператором.

Âсвязи с широким диапазоном применений было необходимо разработать различные системы, пригодные для анализа разнообразных типов образцов. В противоположность методикам, используемым в химическом анализе, где проба "приспосабливается" к измерительному средству, в неразрушающем анализе аппаратура приспосабливается к образцу. В последующих разделах описывается аппаратура, принципы ее работы и области применения. Работа всех этих приборов основана на методе регистрации нейтронных совпадений с использованием электронных устройств временного анализа.