Глава 15. Приборы регистрации полного потока нейтронов и их применение 445

15.3 ПЛОСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ

Плоские детекторы представляют собой сборку детекторов тепловых нейтронов, вставленных в пластину из замедляющего материала. Они больше и тяжелее, чем детекторы SNAP, однако обеспечивают более высокую эффективность регистрации, а при добавлении более тяжелой защиты и коллиматоров — и лучшую направленность. Плоские детекторы, как правило, работают в комбинации с модулями электроники в стандарте NIM (такими, как блок высокого напряжения, усилитель, одноканальный анализатор и счетчик импульсов) и обычными предусилителями, которые достаточно малы и размещаются внутри соединительной коробки, содержащей схему подключения счетчиков. Иногда для анализа амплитуд импульсов применяется многоканальный анализатор, однако в обычных измерениях чаще находят применение счетчики импульсов и одноканальные анализаторы.

Часто плоские детекторы состоят из 3Не-счетчиков, размещенных параллельно друг другу в блоке замедлителя [10]. Размеры и число счетчиков зависят от конкретного применения. На рис. 15.3 показан вариант плоского детектора, который содержит девять 3Не-счетчиков диаметром 2,5 см и давлением 4 атм, помещенных в полиэтиленовую пластину толщиной 10 см. Соединительная коробка жестко фиксирует положение счетчиков и закрывает провод высокого напряжения и предусилитель в герметичном электрически экранированном модуле. Для некоторых задач полиэтиленовая пластина покрывается тонким листом кадмия для поглощения тепловых нейтронов.

15.3.1 Контроль обогащения UF6

Плоский детектор может работать без внешней защиты или с защитой для получения отклика, чувствительного к направлению. На рис. 15.4 представлен направленный плоский детектор с защитой, предназначенный для контроля обогащения UF6. Угол обзора детектора равен 90°, т.е. меньше, чем у SNAP-II. Однако

Соединительная коробка

Ðèñ.15.3. Вид сбоку плоского детектора с де-

	вятью 3Не пропорциональными
	счетчиками диаметром 2,5 см.
	В соединительной коробке нахо-
Блок полиэтиленового замедлителя	дится плата предусилителя

446	Дж. Спринкл

Ðèñ. 15.4. Плоский детектор с направленной защитой, разработанный д ля контроля обогащения UF6

отношение эффективностей регистрации плоского детектора при положении источника спереди и сзади детектора почти в пять раз выше. Это отношение равно 33 для нейтронов источника AmLi и равно 9 для нейтронов источника 252Cf. Собственная эффективность регистрации составляет 18 % для нейтронов спектра деления. Полная эффективность регистрации для точечного источника изменяется приблизительно как 1/r для расстояний r, меньших, чем размеры детектора, и как 1/r2 для расстояний r, превышающих размеры детектора в два раза. Такое соотношение нарушается в присутствии поглотителей или отражателей нейтронов. Для измерения фонового нейтронного излучения детектор может быть повернут на 180° в сторону, противоположную измеряемому источнику, либо активное окно детектора может быть покрыто толстым слоем полиэтилена. Полиэтилен толщиной около 10 см снижает нейтронный сигнал почт и в 10 раз.

Для проверки функционирования центрифужных установок была предложена система плоских детекторов [11]. Возможность регистрации обусловлена тем, что производство высокообогащенного урана сопровождается увеличением нейтронных полей в результате (α,n)-реакций под действием распада 234U в газообразном UF6. Благодаря более низкой массе, 234UF6 в процессе разделения обогащается даже в большей степени, чем 235UF6. Поскольку количество высокообогащенного урана может быть небольшим, то возрастание отклика плоского детектора также может быть незначительным по сравнению с обычным фоном. Чувствительность можно повысить путем оптимизации конструкции (см. главу 14), использованием фильтрации и применением методик принятия ре шений [12].

Предлагаемая система будет состоять из системы оптимизированных детекторов, размещенных по всему зданию технологического процесса, с централизованным сбором и обработкой данных. Во время обычной работы в отсутствие оператора компьютер будет дистанционно считывать показания детекторов. С помощью экспериментальных измерений заводских стандартных образцов и модели-

Глава 15. Приборы регистрации полного потока нейтронов и их применение 447

рования методом Монте-Карло, чувствительность регистрации должна быть установлена таким образом, чтобы обеспечивать контроль за производством высокообогащенного урана. Возможными источниками ложных тревог являются обычные перемещения баллонов с UF6 и нейтронные источники, используемые для проверки аварийной сигнализации системы контроля ядерной безопасности.

15.3.2 Измерение отложений

Плоские детекторы использовались для измерений отложений плутония после операций зачистки [13]. В модели, используемой для интерпретации результатов измерений, предполагается, что геометрия исходного материала может быть аппроксимирована однородной плоскостью вблизи пола. Истинность этого предположения может быть проверена путем перемещения детектора в различ- ные позиции и повтором измерений. Использовался детектор без защиты с площадью фронтального активного окна 0,23 м2. Для достижения максимальной чувствительности к низкоэнергетическим нейтронам были удалены кадмиевые поглотители. Преимуществом использования нейтронных методик по сравнению с методиками на основе гамма-излучения является то, что проблема экранирования не столь важна, а отражение нейтронов в объеме помещения (нейтроны рассеваются поверхностями помещения) ведет к возрастанию отклика счетчика от материала, находящегося на краю помещения. Эти два эффекта уменьшают число точек измерений, необходимых для надежного контроля установки. Экраны между помещениями были хорошими и, следовательно, перенос излучения между помещениями не создавал проблем. Поскольку химическая и изотопная формы плутония были известны, можно было определить зависимость отклика детектора от количества граммов плутония. Отклик детектора был усреднен по нескольким измерительным позициям с целью снижения чувствительности детектора к "горячим точкам" (или для определения факта их существования). Хотя эта процедура дает результат в лучшем случае с погрешностью 50 %, такие результаты достаточны для ситуаций, когда по большой площади распределены тонким слоем несколько сотен граммов плутония.

15.4 СЧЕТЧИК С 4p-ГЕОМЕТРИЕЙ

Счетчик с 4π-геометрией окружает образец таким образом, чтобы телесный угол регистрации нейтронов достигал 4π. Такая конфигурация обеспечивает максимально возможную эффективность счета и наилучшую защиту. Для снижения влияния ненаправленного фонового нейтронного излучения на всех внешних поверхностях детектора может быть размещена защита. Анализируемый образец помещается в центральный колодец или камеру для образца. Обычно конструкция счетчика с 4π-геометрией разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить достаточно равномерный отклик по всему объему камеры. Это очень важно для измерения гетерогенных образцов. Большинство конструкций счетчиков с 4π-гео- метрией оптимизированы для конкретного применения. Для гарантии того, что образцы имеют соответствующую высоту заполнения, состав и матрицу, требуется административный контроль. Если характеристики образцов хорошо известны и согласуются с характеристиками переноса нейтронов, легко получить результаты анализа с неопределенностью, не превышающей нескольких п роцентов.

448	Дж. Спринкл

Электроника счетчика с 4π-геометрией схожа с электроникой плоских детекторов. Обычно используется от четырех до шести сборок нейтронных детекторов, выходы которых объединяются для получения скорости счета полного потока нейтронов. При добавлении схемы совпадений та же самая конфигурация может использоваться и для счета совпадений. Процесс регистрации полного потока нейтронов или нейтронных совпадений обычно автоматизирован с использованием калькулятора или компьютера. Компьютер может быть запрограммирован и осуществлять контроль электроники счетчика, преобразование отклика в результат измерения массы с использованием градуировочной зависимости и обеспе- чение контроля измерений.

15.4.1 Счетчик для контейнеров

На рис.15.5 показана конструкция счетчика с 4π-геометрией, используемого в Объединенной ядерной корпорации UNC (United Nuclear Corporation) в Рич- ланде, штат Вашингтон, [14] для измерения концевых обрезков в процессе экструзионного изготовления топлива. Концевые обрезки состоят по крайней мере на 75 % из низкообогащенного урана, а также из циркалоя и меди. Они упаковываются в большие транспортные контейнеры и загружаются в счетчик с помощью "вилочного лифта". Обычный вес нетто образцов составляет 320 кг, однако он может достигать 550 кг. По нескольким причинам в корпорации UNC предпочтение отдали методу регистрации полного потока нейтронов вместо регистрации совпадений. Метод регистрации полного потока нейтронов менее чувствителен к эффектам размножения нейтронов, возникающим при вынужденном делении 235U.

Счетчики, наполненные 3Íå

Контейнер с образцами

		Крышки для
		доступа
Соединительная коробка
с предусилителем
Дверной блок
Цепной привод		Внутренняя облицовка
Предохраняющая		Внешняя защитная оболочка
крышка		Полиэтиленовый замедлитель и защита
		Направляющий рельс
Червяк	Двигатель	Опорная плита
	привода

Ðèñ.15.5. Счетчик для контейнеров, используемый в Объединенной яде рной корпорации (UNC)

Глава 15. Приборы регистрации полного потока нейтронов и их применение 449

Метод менее чувствителен к пространственным эффектам изменения эффективности регистрации внутри измерительной камеры. Скорость счета совпадений от 238U достаточно низка и составляет от 0,2 до 0,5 от скорости счета совпадений, вызванных космическим излучением. Метод регистрации полного потока обеспечи- вает скорость счета, превышающую в 10 раз скорость счета совпадений. При этом легко осуществлять административный контроль нахождения в счетчике только необходимых образцов.

Наблюдаемый сигнал от концевых обрезков обусловлен, в основном, спонтанным делением 238U. Один килограмм 238U испускает 13,6 н/с. Внутренняя поверхность камеры для образца облицована кадмием. В этих условиях полная эффективность для нейтронов источника AmLi, размещенного в центре камеры, равна 20 %. Внешняя защита состоит из полиэтилена толщиной 10,2 см. Независимые измерения с плоским счетчиком показали, что полиэтиленовая защита снижает сигнал фона от топлива, хранящегося в соседнем помещении, в 25 раз. Кроме того, административный контроль ограничивает количество урана, находящегося вне счетчика. Ни один контейнер не может находиться ближе, чем на расстоянии 2,4 м от счетчика, допускается размещение только одного контейнера ближе, чем 15 м. Счетчик полностью автоматизирован, а пользователь работает с компьютером Hewlett Packard HP-85. Принята ежедневная процедура контроля нормального функционирования счетчика. Она включает измерение фона, который должен быть ниже, чем отклик от 11 эффективных килограммов урана, и анализ стандартного образца. При этом результаты измерений для стандартного образца должны находиться в пределах 2 % от заданного значени я.

На рис. 15.6 представлена градуировочная кривая, полученная с использованием образцов конечного продукта процесса экструзии. Времена счета выбира-

Отклик, нейтрон/с

Масса, кг

100

200

300

400

500

1500

1000

Тип топлива

500

A12

B09

X09

0	500	1000
		Âåñ, ôóíò

Ðèñ. 15.6. Данные градуировки счетчика для контейнеров корпорации UNC, показывающие зависимость отклика нейтронов от массы топлива