Определение спектров нейтронов.

Глава 4. Определение нейтронно-физических характеристик реакторов и критических сборок

Определение спектров нейтронов.

Задача нейтронной спектроскопии – определить распределение флюенса по энергии. Для разных реакторов деление происходит при разной энергии нейтронов. Так в реакторах с замедлителем D₂O, C спектр нейтронов тепловой, близок к Максвеллу. Если замедлитель просто H₂O (+тесная решетка (малое расстояние между ТВЭЛами) – то очень много надтепловых нейтронов. При этом в ТВЭЛе спектр нейтронов будет жестче, чем в замедлителе. В реакторе на быстрых нейтронах спектр от 10кэВ и до нескольких МэВ.

Итого: в каждом случае надо искать спектр нейтронов в различных ΔE. При этом нужно определить спектр с помощью детекторов, которые должны обладать:

- высокой эффективностью;

- высоким временным разрешением;

- высоким энергетическим разрешением;

- высокой степенью подавления ϒ-фона;

- малыми размерами (для работы в активной зоне реактора).

Универсальных методов, удовлетворяющих всем пунктам, не существует. Для разных задач применяются разные методы. Условно их делят на дифференциальные и интегральные. В первом случае спектр получают в виде непрерывной функции f(E), во втором – в виде средних значений в каком-то интервале энергий.

Дифференциальные способы более точные и дорогие. Наиболее точный – метод времени пролета. Он требует наличия критической сборки, импульсного источника нейтронов и пролетной базы (~100 м). Не применим для внутриреакторных измерений. Внутри реактора используется метод протонной отдачи. Он обладает высокой эффективностью, простотой измерений, но при этом восстановить спектр по измеренным данным сложно.

Также есть активационный метод (облучаем фольгу). Данный метод предоставляет высокое пространственное разрешение, возможность работать в широком интервале потоков нейтронов (≈10³ - 10⁵ ), однако процедура восстановления спектра по измеренным данным сложна и неоднозначна.

§2. Метод времени пролета (МВП)

Чтобы определить энергию нейтрона измеряют его скорость, то есть определяют время, за которое он пролетает известное расстояние (пролетную базу). Требуется только получить время вылета нейтрона и время его попадания в детектор.

Установка должна работать в импульсном режиме.

Два способа:

а) Подкритическая сборка, возбуждаемая внешними нейтронами от импульсного источника.

б) Критическая сборка, в которой поток нейтронов перекрывают затвором. Данный способ можно использовать только для медленных нейтронов, быстрые плохо поглощаются затвором.

В обоих методах между вспышками длинные интервалы времени, чтобы нейтроны прошли пролетную базу в 100 метров, после чего испускается следующий импульс. Но могут возникнуть радиоциклическе нейтроны (нейтроны от предыдущей вспышки, регистрируемые уже после выхода последующего импульса).

Одновременно с началом вспышки запускается временной анализатор, на вход которого поступает сигнал с детектора. В зависимости от времени появления сигнала, он фиксируется различными каналами анализатора, в следствие чего получается практически непрерывное временное распределение:

где k=0,323·10⁴; [E]=эВ; [t]=мкс; [l]=м.

Энергия и время однозначно связаны (предположение): N(E)dE=N(t)dt

Энергетическое разрешение:

Погрешность определения E определяется погрешностью измерения времени пролета t, так как длину пролета l можно определить точно.

Погрешность времени пролета складывается из длительности нейтронной вспышки и времени, проходящем от попадания нейтрона в детектор до момента обработки сигнала:

Если , то ;

Относительная погрешность определения энергии ~ (возрастает с ростом энергии). А характеристикой установки является отношение длительности вспышки к пролетной базе .

Зависимость скорости счета нейтронов от длины пролетной базы:

Пусть точечный источник испускает ν вспышек в секунду, в каждом импульсе – распределение q(E), ε(E) – эффективность регистрации. Тогда регистрируемое число нейтронов:

При росте длины пролетной базы l надо снизить ν, иначе появятся радиоциклические нейтроны. Увеличение l вызывает снижение числа регистрируемых нейтронов (надо уменьшать Δt).

Регистрация быстрых нейтронов:

Метод времени пролета позволяет определить спектр нейтронов от 10 эВ до 1-2 МэВ. Нижняя граница определяется фоном, верхняя – разрешением.

Установка включает в себя подкритическую сборку и электронный ускоритель, чтобы тормозное излучение возбуждало сборку (n, ϒ). Кроме этого в установке наличествует система вывода и коллимации пучка и детекторы.

Длительность вспышки падает, если растет подкритичность сборки. Но при слишком большой подкритичности спектр нейтронов искажается и уменьшается интенсивность вспышки (чем меньше подкритичность, тем больше вероятность, что нейтрон от деления вызовет следующее деление).

Длительность – не менее 20 мкс. Нужна большая пролетная база. Чтобы получить хорошие измерения, необходимо:

- иметь высокую эффективность, которая плавно зависит от энергии;

- иметь хорошее разрешение по времени (менее 1 мкс);

- низкая чувствительность к ϒ -фону;

- высокая стабильность.

Основные применяемые детекторы:

- органические сцинтилляторы (высокое временное разрешение ~10 нс, спектр – 200-500 кэВ;

- счетчики на основе B или B₄C с водородосодержащим замедлителем (временное разрешение ~10^-7 с, энергетический спектр от 5 кэВ до 1,5 МэВ);

- сцинтиляционные детекторы на основе Li⁶ (временное разрешение менее 0.1 мкс, энергия – до 100 кэВ);

- пропорциональные счетчики на основе He³ (временное разрешение – 1-2 мкс, энергия – менее 200 кэВ).

Измерение спектров медленных нейтронов:

Используется критическая сборка, непрерывно излучающая нейтроны, а φ перекрывается затвором.

Механический селектор – высокая скорость срабатывания и большая масса. Это вращающийся цилиндр или ротор из кадмиевых пластин, имеющий тонкие щели.

ω – угловая скорость вращения ротора.

Если R=5 см, h = 0,1 см, частота вращения n = 150 об/с, тогда

где Δt – время длительности вспышки, пока диск ее не перекроет.

Определим V_гр:

2R нейтрон должен пролететь; за время пролета, если нейтрон начал лететь, то он смещается на расстояние 2h.

Если V_гр=2400 м/с, то E_n=0,03 эВ. Таким образом, если E_n<0,03 эВ, то он не успеет пролететь диск.

Если n=150 об/с, то ν=300 вспышек/с (так как щель в диске за один оборот пропускает нейтроны дважды). Таким образом l должна быть 8 м (2400/300).

То есть растет с ростом энергии.

Для определения спектров промежуточных нейтронов используют механические селекторы, ограничивающие энергию до 10 кэВ, применяется урановый ротор (размер щелей – доли милиметра, 300-600 об/с). В качстве детекторов используются счетчики на основе B₄C ( – доли микросекунд) или Li⁶ ( – менее 0,1 мкс).

§3. Метод протонной отдачи (МПО)

При рассеянии нейтрона на протоне, E_p однозначно связана с энергией падающего нейтрона и углом вылета протона отдачи. Используем ЗСЭ и ЗСИ:

m_p (938) ≈ m_n (937)

По теореме косинусов:

Если измерить Е и θ протонов, то можно определить спектр нейтронов. Способ высокоточен, если пучок мононаправлен. Сечение рассеяния нейтрона на протоне имеет плавную зависимость от энергии (зависимость представляется аналитической функцией (точность 1%). Угловое распределение в системе центра масс (СЦМ) изотропно. Если нейтроны моноэнергетичны, то их энергетический спектр описывается прямоугольным распределением от 0 до E_n. Высота этого прямоугольника ~σ_п.р. (полному сечению упругого рассеяния).

Как правило, используется так называемый интегральный метод: угол рассеивания не фиксируется, измеряется лишь энергия рассеяного протона, отсюда мы получаем спектр протона и восстанавливаем энергетический спектр нейтрона по нему.

Интегральное уравнение:

где ε(E) – эффективность регистрации детектора (~σ_п.р. нейтрона с энергией E); φ(E) – поток нейтронов; dE/E – вероятность иметь dE.

Дифференциируем по E_p:

Отсюда получим энергетический спектр нейтронов:

Для регистрации E_p используются пропорциональные счетчики с водосодержащим газом, либо органический сцинтиллятор.

Сложности при определении энергетического спектра нейтрона при использовании пропорциональных счетчиков:

- реально измеряется создаваемый протоном ионизационный эффект. Нужно переводить его в шкалу E_p, cледовательно, необходимо знать связь E_p и I. Эти функции при E_p<10кэВ известны плохо, что приводит к погрешностям при восстановлении спектра до 40% при E_p от 1,5 до 3 кэВ, до 15% - при E_p от 3 и до 9 кэВ;

- пробег части протонов заканчивается в стенках вне области газового усиления - . зависит от места их образования («стеночный» эффект);

- число пар заряженных частиц сильно флуктуирует для малых E_p, что может искажать прямоугольное распределение. Также флуктуирует и коэффициент газового усиления.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: