Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы контроля и обнаружения ДМ в замкнутых объемах, не подлежащих вскрытию
1.1. Обзор физических методов и установок активного контроля и обнаружения ДМ 11
1.2. Аппаратурное и программное обеспечение экспериментов 24
1.3. Выводы 31
Глава 2 Разработка цифровой технологии разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов в установках обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками
2.1. Постановка задачи 33
2.2. Программное обеспечение цифровой обработки сцинтилляционных сигналов 35
2.3. Аппаратурное обеспечение цифрового разделения сцинтилляционньк откликов нейтронов и фотонов 39
2.4. Измерение откликов от источников фотонов и нейтронов различной энергии 48
2.5. Представление цифровых откликов в системе координат "энергия-параметр разделения" 50
2.6. Методы цифрового разделения нейтронов и фотонов 55
2.6.1. Метод площадей без аналитического представления формы импульсов 56
2.6.2. Метод площадей с аналитическим представлением формы импульсов 56
2.6.3. Метод экспонент 57
2.6.4. Метод оптимальной ширины сцинтилляционного импульса 57
2.6.5. Метод максимума времени нарастания импульсов 57
2.6.6. Метод оптимального фильтра 58
2.7. Сравнение различных методов цифровой обработки сцинтилляционных сигналов 58
2.8. Метод удаления наложенных импульсов из амплитудно-временной последовательности откликов 61
2.9. Исследование зависимости коэффициента качества разделения нейтронов и фотонов от загрузки сцинтилляционного тракта для аналоговой и цифровой аппаратуры 64
2.10. Тестирование программ цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов 67
2.10.1. Тест разделения двойных наложенных сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов 68
2.10.2. Тест откликов фотонов с различной загрузкой сцинтилляционного тракта 70
2.10.3. Тест сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов калифорниевого нейтронного источника с различной /' загрузкой фотонного канала 72
2.11. Выводы 73
Глава 3 Разработка метода неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в установках с цифровой обработкой данных и импульсными нейтронными источниками
3.1. Постановка задачи 76
3.2. Разработка физического метода неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в замкнутых объемах без их вскрытия 77
3.3. Информативные параметры присутствия ДМ в замкнутых объемах 81
3.4. Модель установки обнаружения и контроля ДМ в замкнутых объемах 83
3.5. Измерения с урановыми образцами 84
3.6. Методическое обоснование определения максимальной чувствительности обнаружения ДМ в установке с графитовым замедлителем нейтронов и импульсным источником нейтронов 88
3.6.1. Постановка задачи 88
3.6.2. Постановка эксперимента и его оборудование 88
3.6.3. Результаты экспериментов и их анализ 90
3.7. Выводы 95
Глава 4 Исследование информативных параметров обнаружения ДМ в модельной установке
4.1. Постановка задачи 97
4.2. Определение минимального количества 235U, детектируемого в модели экспериментальной установки 98
4.3. Программа экспериментальных исследований 100
4.4. Градуировка энергетических шкал спектрометра нейтронов и фотонов 102
4.5. Информативные параметры присутствия ДМ по форме временных распределений 103
4.6. Информативные параметры присутствия ДМ по количеству фотонов в различных временных интервалах после импульса нейтронного источника 104
4.7. Измерение временных распределений нейтронов и фотонов от уранового образца малой массы 108
4.8. Зависимость числа нейтронов деления 235U в свинцовом экране и без него от параметра формы отбора импульсов при разделении нейтронов и фотонов для различных энергетических порогов 112
4.9. Зависимость числа нейтронов деления 235U в композитном экране от параметра формы отбора импульсов при разделении нейтронов и фотонов для различных энергетических порогов 115
4.10. Выводы 120
Глава 5 Разработка и создание прототипа таможенной установки обнаружения делящихся и радиоактивных материалов в аэропортах
5.1. Постановка задачи 121
5.2. Выбор параметров сцинтилляционных блоков многоканальной цифровой системы измерения откликов ДМ 122
5.3. Оптимизационные исследования сцинтилляционного блока на основе LS-13 123
5.4. Исследование откликов нейтронов и фотонов в зависимости от загрузки для одного и двух ФЭУ в сцинтилляционном блоке 125
5.5. Выбор нейтронного генератора для работы в прототипе таможенной установки 127
5.6. Измерение откликов нейтронов и фотонов с помощью высокочастотного генератора нейтронов 130
5.7. Требования к нейтронному генератору прототипа таможенной установки обнаружения ДМ 136
5.8. Исследование обнаружения ДМ в прототипе таможенной установки 137
5.9. Увеличение загрузки сцинтилляционных трактов при поглощении тепловых нейтронов бором, находящимся в составе материалов детектирующих блоков 151
5.10. Выводы 154
Заключение и выводы 157
Список литературы 162
- Аппаратурное и программное обеспечение экспериментов
- Программное обеспечение цифровой обработки сцинтилляционных сигналов
- Разработка физического метода неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в замкнутых объемах без их вскрытия
- Определение минимального количества 235U, детектируемого в модели экспериментальной установки
Введение к работе
В связи с возможными случаями нарушения международной договоренности о нераспространении ядерных материалов и, как следствие этого, возможными актами ядерного терроризма, имеется необходимость в создании устройств обнаружения и контроля радиоактивных и делящихся материалов (ДМ) в ключевых точках их производства, хранения и переработки, а также при транспортировке различных грузов через таможенные пункты государственных границ. Наибольшую опасность при этом представляют 235U и 239Ри, так как они являются основными компонентами ядерного оружия. Кроме этого, возможно создание террористами "грязной" атомной бомбы (например, с распылением различных делящихся нуклидов), в результате взрыва которой могут быть загрязнены обширные территории. Это повлечет за собой громадное количество жертв и потребует огромные средства для реабилитации среды обитания (особенно при взрыве в городских условиях). Поэтому разработка новых физических методов и устройств обнаружения радиоактивных и ДМ и связанных с ними адекватных технологий в значительной мере определяется тем, что во многих случаях ДМ находятся в замкнутых объемах, которые по каким-либо причинам не могут быть вскрыты немедленно. К таким объектам относятся емкости с отходами ядерного производства, тепловыделяющие сборки ядерных реакторов (ТВС), автотранспорт и багаж пассажиров в таможенных пунктах пересечения государственных границ. При этом важную роль приобретает также разработка новых методов обработки информации, получаемой от детекторов ядерных частиц, так как совместно с созданием новых физических методов комплекс таких исследований влечет за собой создание установок контроля нового поколения.
Известно, что обнаружение и контроль урана или плутония можно проводить, используя их собственное нейтронное или фотонное излучение. Однако не все нуклиды имеют достаточно высокий выход нейтронов, а их фотонное излучение имеет сравнительно низкую энергию иг легко может быть скрыто даже тонкими слоями свинцовых экранов. В случае анализа ТВС эффект экранировки излучения наружными слоями ДМ не позволяет с хорошей точностью анализировать состав "толстых", особенно - неоднородных образцов. Вследствие этого, использование внешнего нейтронного источника
облучения инспектируемого объекта может практически снять указанные проблемы анализа ДМ, так как проникающая способность нейтронов, особенно быстрых, велика, а их взаимодействие с экранами из тяжелых элементов достаточно мало.
Ввиду вышеизложенного, комплексные исследования новых физических методов неразрушающего контроля ДМ и методов их детектирования являются актуальными, так как позволяют получить новый подход к созданию установок обнаружения, идентификации и контроля радиоактивных и ДМ, и тем самым препятствуют их незаконному распространению.
Цель работы
Целью работы явилось разработка физического метода обнаружения и контроля ДМ, цифровой технологии обработки сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов в условиях больших загрузок электронных трактов и создание на этой основе инновационных установок обнаружения и неразрушающего контроля ДМ, в которых используются импульсные нейтронные источники в комбинации с различными замедлителями нейтронов. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
Разработана цифровая технология обработки сцинтилляционных сигналов в установках обнаружения и контроля ДМ с импульсными нейтронными источниками.
Разработан физический метод обнаружения и контроля ДМ в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровым разделением сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов деления в замкнутых объемах без их вскрытия.
Разработана модель установки обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками и замедлителями нейтронов, в которых ДМ, скрытый поглощающими зондирующее излучение экранами (свинец, кадмий и т. д.), обнаруживается с помощью тепловых и эпитепловых нейтронов.
Разработана методическая база и прототип установки контроля ДМ в аэропортах, морских портах и т. д. на основе цифрового устройства разделения откликов нейтронов и фотонов, работающего с высокой загрузкой сцинтилляционных трактов.
Проведены экспериментальные исследования использования цифровой технологии разделения сцинтилляционных откликов нестационарных зависимостей нейтронов и фотонов в установках, служащих целям нераспространения ядерных материалов, в которых определены параметры реальных устройств обнаружения.
Создан прототип таможенной установки обнаружения ДМ в аэропортах, морских портах и т.д., работоспособность которого проверена экспериментально.
Научная новизна работы и практическая значимость работы
Впервые разработан физический метод обнаружения и контроля состава ДМ в замкнутых объемах, не подлежащих вскрытию, в которых ДМ скрывается экранами, поглощающими нейтронное и фотонное излучения.
Разработан метод цифрового разделения нестационарных откликов нейтронові и фотонов в высокоэффективных сцинтилляционных системах, работающих в установках с импульсными нейтронными источниками с максимальными загрузками до 10б частиц в секунду.
Проведен анализ возможности использования установок обнаружения И' контроля ДМ, который показал область использования программы цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов и ее параметров в зависимости от загрузки сцинтилляционных трактов.
Проведен анализ использования цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов в установке обнаружения ДМ с различными типами нейтронных генераторов и характеристиками параметров генерации нейтронного потока.
Показана степень влияния поглощающих нейтронное и фотонное излучения экранов на эффективность установки обнаружения ДМ, в результате чего определено, что ДМ обнаруживаются даже при их окружении свинцовыми, кадмиевыми или композитными экранами.
Дано физическое толкование" состава откликов нейтронов и фотонов в установке обнаружения ДМ, и на этой основе предложен метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов с помощью поглощающих тепловые нейтроны литиевых (б1л) экранов.
Практическая значимость работы определяется разработанными физическим методом обнаружения и контроля ДМ в установках с импульсными
нейтронными источниками и цифровой технологией разделения нестационарных откликов нейтронов и фотонов при загрузках сцинтилляционных трактов до 10б частиц в секунду, на основе которых создан прототип реальной установки обнаружения ДМ в аэропортах. Результаты исследований прототипа показали возможность создания серийных, экономичных установок обнаружения и контроля ДМ, сознательно скрываемых в инспектируемых объектах экранами, поглощающими фотоны и тепловые нейтроны, что позволяет пресечь незаконное перемещение и нелегальное распространение ядерных материалов как внутри страны, так и за пределы государственных границ.
Основные положения, выносимые на защиту
Разработанный метод обнаружения и контроля ДМ в установках с различными замедлителями нейтронов и импульсными источниками нейтронов, в котором сцинтилляционные отклики нейтронов и фотонов разделяются с помощью цифровой технологии, что позволяет в одном эксперименте использовать различные энергии нейтронов для обнаружения ДМ, скрываемых экранами, поглощающими нейтроны и фотоны.
Результаты исследования цифровых методов разделения откликов нейтронов и фотонов в различных сцинтилляторах (стильбен, LS-13).
Разработанный метод тестирования программы цифрового разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов, в результате чего определены области ее применения для различных задач обнаружения ДМ и неразрушающего контроля ТВС ядерных реакторов.
Результаты экспериментальных исследований, в которых определены параметры прототипа реальной таможенной установки обнаружения ДМ в аэропортах даже в случаях их сокрытия экранами, поглощающими тепловые нейтроны и фотоны (например, кадмиевыми и свинцовыми).
Разработанную модель (прототип) установки таможенного контроля ДМ в аэропортах.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 168 страницах, содержит 92 рисунка, б таблиц и список цитируемой литературы из 59 наименований.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных сессиях МИФИ 2005 и 2007 годах; IAEA International Conference on Illicit Nuclear Trafficing Collective Experience and the Way Forward, (Scotland, Edinburg, 2007); Annual ШММ Meeting (USA, 2006).
Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, перечень которых приведен в конце диссертации.
Аппаратурное и программное обеспечение экспериментов
Рассмотрение установок обнаружения и контроля ДМ показывает, что параметры применяемого источника внешнего облучения и его тип в значительной мере зависят от назначения установки. Если установки определения состава ТВС ядерных реакторов могут иметь нейтронные источники с выходом 1010 нейтр./с, то устройства, работающие в таможенных пунктах, должны иметь выход на уровне 107 нейтр./с, так как при его превышении значительно ухудшается радиационная обстановка и возможна активация нейтронами материалов установки и багажа пассажиров. Кроме этого, в таможенных устройствах предпочтительно использовать источники внешнего облучения инспектируемых объектов, которые имеют возможность выключаться в перерывах их работы. В подавляющих случаях рассмотренных ранее установок применяются импульсные нейтронные генераторы DT реакции получения нейтронов [21]. Безусловно, эти излучатели относятся к переносному или портативному типам, а их эксплуатация достаточно проста и не требует для своего обслуживания квалифицированного персонала. Нейтронные генераторы портативного типа выпускаются в США, Франции и России и представляют собой высокотехнологичные устройства, работающие в разнообразных режимах модуляции нейтронного выхода, чаще всего в импульсном режиме с широкими диапазонами длительности нейтронных импульсов и частотой их повторения. Обычно длительность нейтронных импульсов составляет от 1 мкс до сотен мкс с частотой повторения от 20 до 10.000 Гц. Большое значение имеет фон нейтронов импульсного источника, существующий между импульсами нейтронов, так как он определяет возможность пассивного анализа инспектируемого объекта без нейтронов источника или активного анализа в промежутках между нейтронными импульсами источника. Фоновая составляющая. в значительной мере определяется типом ионного источника. Так, например, использование искрового ионного источника практически устраняет возможность возникновения фона. Однако физические условия работы такого источника не позволяют иметь при этом высокую частоту нейтронных импульсов, и для-получения необходимого интегрального выхода нейтронов в нейтронном импульсе источника при низкой частоте их повторения может быть слишком много-нейтронов, что приводит к перегрузке электронной аппаратуры. Другой проблемой использования- портативных нейтронных генераторов является ограниченный ресурс их работы без смены нейтронного блока. Этот ресурс в настоящее время в нейтронных генераторах различных фирм составляет от 100 до 1000 часов, что в значительной, степени определяет экономическую составляющую эксплуатации установок контроля ДМ в таможенных пунктах. Наиболее полный перечень типов портативных нейтронных генераторов и их параметров дан в каталоге ВНИИА им. Духова Н.Л. В настоящее время имеются также модели нейтронных генераторов? разработанных в-США и в России, в которых для определения времени вылета нейтрона из мишени используются сегментные детекторы сопутствующих в. реакции получения нейтронов а-частиц. Аналогичная методика используется установках счета частиц деления по их временному совпадению при применении калифорниевого источника нейтронов [22]. Однако в этом случае время акта деления определяется с помощью импульса осколков деления ионизационной камеры, в которую помещен источник. Преимущества и недостатки использования различных источников нейтронов в методе "меченых " нейтронов указаны в таблице 1.
Анализ достоинств и недостатков источников таблицы 1 не оставляет сомнения, что для установок таможенного контроля наиболее подходит нейтронный генератор, в то время как для определения состава образцов ДМ с неизвестным составом в лабораторных условиях можно использовать калифорниевый источник.
В последнее время появились работы, в которых источники внешнего облучения багажа пассажиров получаются на основе различных типов ускорителей заряженных частиц [23]. В их качестве выступают ускоренные дейтроны или протоны. Следует отметить, что такие установки экономически не очень выгодны в таможенных терминалах, и требуют для своей эксплуатации квалифицированного обслуживающего персонала.
В ранних установках обнаружения ДМ наиболее распространенными детекторами нейтронов были счетчики тепловых нейтронов на основе 3Не и 10В. Для регистрации тепловых нейтронов в качестве наполняющих детектор газов при этом используются 3Не или BF3. Регистрация тепловых нейтронов реализуется с помощью следующих ядерных реакций:
В первой реакции используются протоны отдачи, а во второй альфа частицы, которые и создают необходимые для регистрации электрические импульсы. Сечения этих ядерных реакций велики и дают возможность создания детекторов с высокой эффективностью. Следует отметить, что вероятность регистрации этими детекторами гамма квантов незначительна, что особенно привлекательно в установках активного контроля, так как позволяет создавать установки, в которых регистрация нейтронов может происходить на фоне гамма квантов. Для регистрации быстрых нейтронов использовались также газонаполненные детекторы с наполнением 4Не или CFL}. Однако при этом эффективность.регистрации нейтронов счетчиком с 4Не мала и находится на уровне чуть более полутора процентов. Вследствие этого в установках таможенного контроля для детектирования быстрых нейтронов с целью повышения их эффективности использовались борные или гелиевые счетчики-тепловых нейтронов, окруженные слоем водородосодержащего замедлителя нейтронов. При этом быстрые нейтроны сначала замедляются в замедлителе, а затем как тепловые детектируются в счетчиках тепловых нейтронов, например, 3Не. Таким образом, возможно создание счетчиков быстрых нейтронов большой площади и обладающих более высокой эффективностью по сравнению со счетчиками 4Не. Расчетные исследования геометрических размеров панелей со с счетчиками тепловых нейтронов позволяют достаточно точно предсказать их эффективность при слоях полиэтилена, расположенных как спереди, так и сзади системы счетчиков. Ввиду того, что основой системы являются борные или гелиевые детекторы быстродействие таких панелей не очень велико и находится на уровне 105 н/с. Использование импульсных источников нейтронов совместно с комбинацией различных замедлителей, безусловно, привело к созданию более совершенных установок, так как, используя пороговый характер сечений различных ДМ и различные энергетические группы нейтронов принципиально возможно- получать отклик выбранного инспектируемого нуклида.
Программное обеспечение цифровой обработки сцинтилляционных сигналов
Главным преимуществом использования цифровой обработки сцинтилляционных сигналов следует считать детектирование отклика ДМ с нулевым мертвым временем и высокой эффективностью, присущей сцинтилляционным системам. Созданная база оцифрованных импульсов позволяет применить математическую обработку полученных временных и амплитудных последовательностей импульсов (возможно состоящих из отдельных независимых электронных трактов) и в одном эксперименте получать информацию обо всех возможных функционалах нейтронного и фотонного отклика излучений ДМ. С помощью программной, обработки, возможно, разделить нейтроны и фотоны, а также исследовать их временные совпадения любой кратности. Таким образом, можно отметить следующие основные достоинства использования цифровой технологии в установках активного контроля ядерных материалов, которые будут обладать следующими преимуществами по сравнению с аналоговыми: 1. Возможность разделения нейтронов и фотонов в условиях высокой загрузки сцинтилляционных трактов с нулевым мертвым временем. 2. Значительное уменьшение номенклатуры электронных блоков, что снижает общие затраты на изготовление установок. 3. Создание оцифрованной базы данных сцинтилляционных откликов ДМ, которая дает возможность получить практически все возможные информативные параметры состава или обнаружения ДМ, например, раздельные временные и амплитудные распределения нейтронов и фотонов, характеризующие их спектральные свойства, а также совпадения нейтронов и фотонов любой кратности. 4. Создание универсальной системы хранения и обработки экспериментальной информации, годной для повторной обработки экспериментальных данных.
Для реализации цифровой технологии обработки, данных в установках неразрушающего контроля ДМ в,проектах МНТЦ №596 и №2978 МИФИ был создан программный комплекс, основной задачей которого является получение различных информативных параметров наличия и состава ДМ в установках активного контроля с импульсными нейтронными источниками. В комплексе представлены алгоритмы, которые не требуют большого объема памяти компьютера, и могут служить в дальнейшем для создания цифровых спектрометрических приборов, работающих в режиме реального времени. Тем не менее, представленное программное обеспечение может быть использовано также для широкого круга задач, которые встречаются при неразрушающем контроле ДМ, в том числе для определения состава топливных образцов ядерных реакторов:
Созданный комплекс программ объединен в одну общую компьютерную вычислительную структуру, и имеет возможность определять следующие характеристики смешанных нейтронных и фотонных полей: 1. Раздельные временные распределения откликов нейтронов и фотонов смешанного излучения (аналог временного анализатора). 2. Раздельные амплитудные распределения протонов отдачи и комптоновских электронов (аналог спектрометра). 3. Временные совпадения частиц деления ДМ (аналог схем совпадений). 4. Комбинированные задачи, соответствующие первым трем пунктам. Анализируемый отклик в пределах времени интервала обработки аппроксимируется функцией: где А, а, В, b, С, с -параметры сцинтилляционного импульса, at- время от начала интервала обработки импульса. Началом интервала являлась точка пересечения левым фронтом отклика заданного уровня импульса. Величина уровня задавалась программно в пределах (20-80)% от амплитуды импульса, а его длительность находилась в пределах (200-2000) не, что составляло (20-200) отсчетов при интервале дискретизации 10 не.
В зависимости от задачи программно может быть задано 2 или 3 экспоненты, входящих в функцию F(t). Показатели экспонент а, Ь, и с могут быть фиксированы или изменяться в процессе аппроксимации. Как показали исследования, при длительности интервала обработки до 400 не достаточно хорошие результаты дает функция F(t), содержащая две экспоненты. При больших длительностях интервала обработки необходимо включение третьей экспоненты, описывающего поведение на «хвосте» распределения.
Созданный программный комплекс предназначен для выполнения полного цикла обработки данных, полученных при цифровой регистрации нейтронного и гамма-излучения в установках, использующих разнообразные источники излучений (радиоизотопные источники гамма-квантов или нейтронов, генераторы нейтронов, работающие как в стационарном, так и в импульсном режимах и т.д.). Указанный комплекс объединяет несколько компьютерных модулей, выполняющих следующие основные функции: формирование общего пакета файлов оцифрованных импульсов, содержащего все виды регистрируемых частиц (нейтроны, гамма-кванты и т.п.). Каждый файл из указанного пакета формируется посредством аналитической обработки цифровой формы одиночных импульсов в составе исходной записи конкретного эксперимента; формирование общего пакета файлов амплитудно-временного распределения импульсов; представление итогов обработки в форме таблиц показателей, диаграмм и графиков результатов, дополнительно поддерживаемых специальными средствами анализа представляемых данных;
При обработке результатов измерений от непрерывного источника излучения максимальный размер файла составляет 4 Гбайт (для двух каналов). При измерениях с импульсным источником предусмотрена возможность последовательной обработки файлов, полученных в результате отдельных импульсов источника. Программа разделения нейтронов и фотонов смешанного излучения выполняет следующие функции: 1. Определение базовой линии амплитудно-временного распределения; 2. Корректировку изменения формы базовой линии сцинтилляционного блока, необходимой при работе импульсного источника нейтронов; 3. Выделение из амплитудно-временного распределения импульсов, соответствующих нейтронному или фотонному излучениям; 4. Отбор найденных импульсов по следующим характеристикам: амплитуде импульса;
Разработка физического метода неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в замкнутых объемах без их вскрытия
Сущность методической основы разработанных установок контроля и обнаружении радиоактивных и ДМ состоит в соединении импульсного нейтронного источника с замедлителями нейтронов, в которых после импульса быстрых нейтронов источника можно использовать различные энергии замедляющихся нейтронов для облучения всего комплекса инспектируемых материалов. При этом в установке используются высокоэффективные и быстродействующие PSD сцинтилляторы и цифровая технология разделения откликов нейтронов и фотонов от различных материалов, которая может быть реализована при больших загрузках электронных трактов, недоступных для стандартных спектрометров. Программная обработка сцинтилляционных сигналов позволяет разделить временные и энергетические зависимости откликов нейтронов и фотонов, существующих в установке и получать информативные параметры присутствия, радиоактивных и ДМ в багаже пассажиров. Принципиально разработанный метод в своей основе опирается на метод спектрометра по времени замедления нейтронов в тяжелом замедлителе [43]. Авторы этой работы использовали в качестве замедлителя нейтронов свинцовый куб с размерами 2х2х2 метра. Бьшо показано, что от времени появления в свинце импульса нейтронов источника до того времени, когда они имеют энергию 4,9 эВ (энергия резонанса в сечении поглощения золота) проходит -186 мкс. При этом становятся доступными энергии нейтронов от 20 кэВ, что можно использовать для контроля ТВС ядерных реакторов. Для установок обнаружения ДМ в багаже пассажиров наличие в установке нейтронов разных энергий означает решение задачи обнаружения ДМ, скрытых различными поглощающими излучения экранами, например, свинцовыми или кадмиевыми. Однако, введение в тяжелый замедлитель легких замедлителей нейтронов, которыми являются водородосодержащие PSD-сцинтилляторы, значительно снижает энергию нейтронов, и кроме этого использование свинцового замедлителя в условиях таможенных пунктов весьма проблематично, так как он имеет большую массу, требует очищения от примеси легких элементов и, как следствие этого, экономически не привлекателен.
Использование графитового замедлителя нейтронов дает возможность получения сразу после импульса нейтронного источника энергии замедляющихся нейтронов в области нескольких электрон-вольт, а эволюция спектров нейтронов в графите, полученная - экспериментально в работе [44], показывает, что эпитепловые нейтроны, проходящие через кадмиевые экраны будут существовать в установке приблизительно 150 мкс после импульса нейтронов источника. Применение сцинтилляционной системы PSD-сцинтилляторов позволяет решить многие требования, предъявляемые к установкам обнаружения ДМ в аэропортах в случае разделения откликов нейтронов и фотонов по форме их сцинтилляционных импульсов. Проведенные с этой целью экспериментальные исследования показали, что сделать это с помощью стандартных спектрометрических блоков практически невозможно, так как установки с импульсными нейтронными источниками характеризуются высокими и переменными загрузками электронной аппаратуры. В проведенных экспериментах было показано, что загрузки сцинтилляционных трактов достигают величины 7-Ю5 частиц в секунду. Во второй главе диссертации было показано, что использование цифрового метода обработки амплитудно-временной зависимости сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов позволяет решить эту задачу и получить разделенные временные зависимости откликов нейтронов и фотонов в различное время после импульса нейтронного источника. Следовательно, соединение в одной установке графитового замедлителя нейтронов, импульсного нейтронного источника и цифровой технологии обработки откликов частиц деления ДМ в PSD сцинтилляторах позволяет создавать установки обнаружения и неразрушающего контроля ДМ нового поколения, которые могут работать, как в пассивном, так и в активном режимах и получать расширенный набор информативных параметров присутствия ДМ в багаже пассажиров.
Следуя вышеизложенному, прототип установки обнаружения ДМ в багаже пассажиров или анализа состава различных урановых или плутониевых образцов можно представить в виде графитового параллелепипеда с внутренней полостью, размер и конфигурация которой определяется конкретной задачей анализа инспектируемого объекта, Так, например, в случае задачи обнаружения ДМ в багаже пассажиров, размер внутренней полости должен соответствовать стандарту установок, используемых для этих целей в аэропортах. В графитовых стенках установки располагаются PSD сцинтилляторы, имеющие выход на цифровые платы разделения нестационарных зависимостей откликов нейтронов и фотонов.
Задачи обнаружения ДМ в багаже пассажиров аэропортов и состава ТВС ядерных реакторов, несмотря на их принципиальную схожесть, имеют существенные различия при их практической реализации. Главное различие этих установок состоит в том, что таможенные устройства должны с большой степенью вероятности определять наличие ДМ за время, которое соответствует времени регистрации багажа рейса широкофюзеляжного самолета, и при этом практически не должно быть активации материалов багажа нейтронами, а таможенная установка при этом должна работать при допустимых уровнях радиационной обстановки в аэропортах. Такие жесткие условия требуют времени анализа одной единицы багаже в пределах (5-7) секунд, а выход нейтронов внешнего источника должен быть на уровне 107 нейтрУс. Анализ поставленной задачи создания таможенной установки контроля ДМ в багаже пассажиров показывает, что она является системной задачей, так как объединяет в себе выполнение многих противоречивых требований. К их числу относится размер и число сцинтилляторов, их тип, тип ФЭУ и их количество в одном блоке детектирования, энергетический порог детектирования нейтронов и фотонов, величина загрузки сцинтилляционных трактов, расположение сцинтилляторов и нейтронного генератора в стенках измерительной камеры, время начала и конца анализа откликов ДМ и материалов багажа (особенно в случае сокрытия ДМ поглощающими зондирующее излучение экранами), а также необходимость иметь практически нулевой фон нейтронов при десятках тысячах импульсов в фотонном канале, что определяет высокую степень разработки цифровой технологии разделения амплитудно-временных откликов нейтронов и фотонов. Кроме этого, большое значение имеет используемая реакция получения нейтронов в нейтронном генераторе и расположение нейтронного генератора в установке, так как радиационная обстановка и уровень облучения материалов багажа в значительной мере зависят от этих условий. При этом практическая реализация прототипа установки, которая реально могла бы работать в условиях аэропортов, должна быть экономически привлекательной, в случае любой аварии не загрязнять помещений аэропорта и не требовать для своего обслуживания квалифицированного персонала и специально оборудованного хранилища нейтронного источника.
Определение минимального количества 235U, детектируемого в модели экспериментальной установки
Для понимания возможностей реальной установки обнаружения и контроля ДМ начальная стадия экспериментов проводилась на модели, имеющей, как правило, размеры меньшие, чем полномасштабное устройство. Следовательно, в полости модели плотность потока нейтронов будет значительно больше, чем в реальной установке. Эксперименты в модельной установке преследуют цель отработки физических методов и принципов измерения необходимых функционалов нейтронных и фотонных полей, но не могут дать окончательную информацию о предельных значениях параметрах, присущих реальному устройству. Кроме этого, в реальном устройстве необходимо оптимальным образом расположить систему детекторов, размер и положение которых в значительной мере влияет на эффективность полномасштабной установки. Поэтому в настоящей работе были сделаны эксперименты, которые определяли минимальное количество 235U, надежно обнаруживаемое в модели. Результаты этих экспериментов позволяют сделать прогноз эффективности реальной установки и дать основу для оптимизации- всей системы, сцинтилляционных детекторов, включая их размеры, расположение в установке и, как результат этих исследований, конечную эффективность всей установки в целом.
Экспериментальная установка соответствовала приведенной на рис. 40. В качестве PSD-сцинтиллятора использовались кристалл стильбена размером 040x40 мм и жидкий органический сцинтиллятор на основе LS-13 фирмы Amcrys LTD (Украина), имевший размер 074x176 мм. Предполагалось, что размер последнего сцинтиллятора будет соответствовать размерам сцинтилляторов в многоканальной системе детектирования откликов ДМ в полномасштабной модели таможенной установки.
Были проведены серии экспериментов с двумя цилиндрическими блоками урана с массой U равной 64 граммам и обогащением 2%. Диаметр блока составлял 31 мм, высота равнялась 120 мм. В этих экспериментах определялся круг возможных "безальтернативных" и косвенных информативных параметров обнаружения ДМ, а также их зависимость от различных параметров программы обработки данных и энергетических порогов детектирования откликов частиц деления.
В качестве делящегося образца в экспериментах по исследованию минимальной массы обнаруживаемого ДМ использовался уран массой 8 грамм, обогащение которого составляло 90% по изотопу U. Спектр собственного излучения этого образца представлен на рис. 38 и 39. Можно видеть, что кроме собственного излучения гамма квантов с энергией 185,7 кэВ образец имеет еще и фоновые линии в высокоэнергетической области спектра гамма квантов.
В программу проведенных исследований входили измерения с ураном, различными матричными материалами, а также с ураном, скрытым различными поглощающими нейтроны и фотоны экранами. К числу таких экранов относились свинец, кадмий, а также композитный экран, состоящий из свинца, кадмия и плексигласа. Плексиглас имеет в своем составе водород, который хорошо замедляет эпитепловые нейтроны, которые в дальнейшем поглощаются в кадмиевом экране, что способствует возможности сокрытия ДМ таким сложным экраном. Программа экспериментальных измерений представлена в таблице 4.
Во всех измерениях использовался импульсный нейтронный генератор с DD реакцией получения нейтронов производства ВНИИА им. Духова Л.Н. Параметры проведенных экспериментов были следующие: число запусков нейтронного генератора - 3000, частота записи сигналов из АЦП - 3Гц, запись оцифрованных импульсов из АЦП проводилась в пределах от 30 мкс до 25.000 мкс после импульса нейтронов генератора, образцы урана располагались на расстоянии 12 см от оси кристалла стильбена. Обработка оцифрованных импульсов из АЦП не могла проводится ранее ЗОмкс после импульса нейтронов источника вследствие искажения базовой линии сцинтиллятора и большого числа наложенных импульсов. Модель установки с графитовым замедлителем нейтронов представлена на рис. 40. Для перехода от номера энергетического канала к энергии электронов, которые детектируются сцинтиллятором, а соответственно и к энергии нейтронов и фотонов, были проведены измерения по калибровке цифрового спектрометра установки с источниками гамма квантов от 137Cs, Со, ториевого образца и PuBi источника нейтронов. Энергия гамма квантов калибровочных источников была равна при этом 661 кэВ, 1173 кэВ, 2600 кэВ и 4432 кэВ. Это составляло энергию электронов 480 кэВ, 1120 кэВ, 2370кэВ, и 4190 кэВ соответственно. В результате экспериментов была получена следующая зависимость энергии электронов от номера энергетического Несмотря на то, что "безальтернативные" информативные параметры присутствия ДМ относятся к нейтронному каналу, можно отметить, что информация о наличии ДМ имеется также и в канале фотонов. Для этой цели были сделаны эксперименты, в которых можно получить информацию о присутствии откликов ДМ в канале фотонов. Их результаты представляют собой временные распределения фотонов при малых временах после импульса быстрых нейтронов источника и малых ширинах временного канала. Для более детального рассмотрения временной зависимости импульсов в канале гамма квантов были построены временные зависимости в интервале от 30 мкс до 480 мкс при ширине временного канала 20 мкс. Из рис. 42 видно, что некоторые матричные материалы, имеют особенности поведения гамма квантов, которые образуются в установке в (п,у) реакциях. К примеру, окружение плексигласом урана, скрытого свинцовым или кадмиевым экранами увеличивает количество фотонов, ввиду того, что в реакции радиационного захвата тепловых нейтронов на водороде возникают фотоны с энергией 2,23МэВ. Такого рода информативные параметры могут служить, как косвенные признаки наличия ДМ или попыток их сознательного сокрытия. Однако присутствие большого количества матричных материалов с высоким сечением (п,у) реакций может нивелировать эти информативные параметры. Одним из таких материалов может служить обыкновенная поваренная соль, в которой имеется много хлора, обладающего высоким сечением образования фотонов на тепловых нейтронах. Следует отметить, что при малых временах после импульса нейтронов источника временные распределения могут быть значительно искажены вследствие перегрузки сцинтилляционных трактов. Поэтому получение информации о поведении временных и амплитудных зависимостей откликов нейтронов и фотонов в этом временном диапазоне представляет собой отдельную задачу.
