способ определения среднего заряда от нейтронов в импульсе камеры деления

Формула изобретения

1. Способ определения среднего заряда от нейтронов в импульсе камеры деления, заключающийся в том, что камеру, содержащую электрод и делящийся материал, подключают к внешнему источнику электрического напряжения питания, облучают потоком нейтронов, измеряют электрический ток от нейтронов I_n и определяют средний заряд Q от нейтронов в импульсе камеры деления, отличающийся тем, что измеряют количество импульсов N_d в интервале времени t или скорость счета импульсов n_d при различных значениях уровня дискриминации U_d в интервале



внутри которого абсолютное значение наклона зависимости N_d или n_d от U_d принимает минимальное значение,

где U_d - максимальная амплитуда импульсов от -излучения делящегося материала;

E_н - наиболее вероятная или средняя энергия тяжелых продуктов деления;

- ширина энергетического распределения тяжелых продуктов деления;

E - максимальная энергия -излучения делящегося материала,

при этом по крайней мере одно измерение производят в подинтервале

U_d U_d 2U_dm-U_d,

где U_dm - уровень дискриминации, при котором абсолютное значение наклона зависимости N_d или n_d от U_d принимает минимальное значение, результаты измерений в этом подинтервале аппроксимируют функцией f(U_d), а значение Q определяют по формуле

Q = I_n/n₀,

где n_o= f(U_d= 0)/t при измерении N_d или n_o = f(U_d = 0) при измерении n_d.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аппроксимацию результатов измерений производят обратной экспоненциальной функцией в зависимости от квадрата аргумента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике, а точнее - к определению характеристики ионизационной камеры деления. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при изготовлении и испытании газонаполненных ионизационных камер, узлов детектора, каналов, предназначенных для измерения потока нейтронов в системах управления и защиты ядерных реакторов, критических сборок и других источников нейтронов.

Известен времяпролетный способ определения среднего заряда, заключающийся в том, что устройство, содержащее два электрода и делящийся материал, подключают к внешнему источнику электрического напряжения питания, облучают потоком нейтронов и определяют энергетическое распределение продуктов деления, по которому судят о среднем заряде в импульсе камеры деления на один осколок, вылетающий из радиатора /см., например, Milton J., Fraser J. Time-of-flight fission studies on U²³³, U²³⁵ and Pu²³⁹, Canadian Journals of Physics, 1962, v. 40, N 11, p. 1626-1663/.

Недостатком этого способа является отсутствие возможности идентификации параметра камеры деления путем измерения.

Известен способ определения среднего заряда в импульсе камеры деления, заключающийся в том, что камеру, содержащую электрод и делящийся материал, подключают к внешнему источнику электрического напряжения питания, облучают потоком нейтронов, измеряют электрический ток от нейтронов I_n и определяют средний заряд в импульсе /см., например, Камера деления КНК-15-1, Технические условия ОД0.339.103 ТУ, 1977 г./.

Способ основан на определении отношения электрического тока от нейтронов к скорости счета импульсов, возникающих в камере деления под облучением.

Недостатком этого способа является отсутствие интервала уровня дискриминации по амплитуде, в котором производят измерения, и подинтервала, в котором аппроксимируют результаты.

Другим недостатком является аппроксимация результатов измерений в неопределенном интервале обратной экспоненциальной функцией в зависимости от уровня дискриминации импульсов, что позволяет указывать любое значение среднего заряда от продуктов деления.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения среднего заряда в импульсе камеры деления, заключающийся в том, что камеру, содержащую электрод и делящийся материал, облучают потоком нейтронов, измеряют электрический ток от нейтронов и определяют средний заряд от нейтронов /см. Чукляев С.В., Грудский М.Я., Артемьев В.А. Вторично-эмиссионные детекторы ионизирующих излучений. М., Энергоатомиздат, 1995/.

Способ основан на определении отношения электрического тока от нейтронов к скорости счета импульсов от продуктов деления, возникающих в ионизационной камере под воздействием нейтронов.

Недостатком этого способа является неопределенность в интервалах уровня дискриминации по амплитуде, в которых производят измерения скорости счета импульсов деления и аппроксимацию результатов.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе определения среднего заряда от нейтронов в импульсе камеры деления, заключающимся в том, что камеру, содержащую электрод и делящийся материал, подключают к внешнему источнику электрического напряжения питания, облучают потоком нейтронов, измеряют электрический ток от нейтронов I_n и определяют средний заряд Q от нейтронов в импульсе камеры деления, измеряют количество импульсов N_d в интервале времени t или скорость счета импульсов n_d при различных значениях уровня дискриминации U_d в интервале



внутри которого абсолютное значение наклона зависимости N_d или n_d от U_d принимает минимальное значение, где U_d - максимальная амплитуда импульсов от - излучения делящегося материала; E_H - наиболее вероятная или средняя энергия тяжелых продуктов деления материала; - ширина энергетического распределения тяжелых продуктов деления материала; E - максимальная энергия - излучение делящегося материала, при этом по крайней мере одно измерение производят в подинтервале

U_d U_d 2U_dm-U_d,

где U_dm - уровень дискриминации, при котором абсолютное значение наклона зависимости N_d или n_d от U_d принимает минимальное значение, результаты измерений в этом подинтервале аппроксимируют функцией f(U_d), а значение Q определяют по формуле

Q = I_n/n₀

где n₀ = f(U_d = 0)/t при измерении N_d или n₀ = f(U_d=0) при измерении n_d, при этом аппроксимацию результатов измерений производят обратной экспоненциальной функцией в зависимости от квадрата аргумента.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень", несмотря на известность некоторых использованных в нем признаков, так как совокупность изложенных признаков, взятая в новой взаимосвязи, позволяет повысить точность определения среднего заряда в импульсе камеры деления от нейтронов за счет установленной в материалах заявки взаимосвязи между характеристиками энергетического спектра продуктов деления и интегрального спектра импульсов в ионизационной камере.

Ниже изложен пример конкретного выполнения способа со ссылками на чертежи (фиг.) и таблицы (табл.).

На фиг. 1 изображена Принципиальная схема измерения двухэлектродной конструкции камеры деления: ИП - источник постоянного напряжения питания; ДУ - дифференциальный усилитель; У - усилитель мощности; АА - амплитудный анализатор; Д - дискриминатор; ПП - пересчетный прибор с таймером (интенсиметр); А - измеритель электрического тока; С_ос - электрическая емкость обратной связи. Знаками "+" и "0" маркированы соответственно высоковольтный и собирающий электроды камеры.

На фиг. 2 изображена Принципиальная схема измерения трехэлектродной конструкции камеры деления: ИП - источник постоянного напряжения питания; ДУ - дифференциальный усилитель; У - усилитель мощности; АА - амплитудный анализатор; Д - дискриминатор; ПП - пересчетный прибор с таймером (интенсиметр); А - измеритель электрического тока; С_ос - электрическая емкость обратной связи. Знаками "+" и "0" маркированы соответственно высоковольтный и собирающий электроды, а знаком "-" - высоковольтный электрод - чувствительной компенсационной секции камеры.

На фиг. 3 изображены Энергетические спектры продуктов деления, вылетающих из слоев делящегося материала различной толщины.

На фиг. 4 изображены Распределения импульсов в камере деления по амплитуде под воздействием нейтронов при различных условиях собирания носителей заряда.

На фиг. 5 изображены Интегральные распределения импульсов в камере деления по амплитуде. Здесь же показаны соответственно интегральные спектры от фонового излучения при тех же условиях собирания носителей заряда.

На фиг. 6 изображены Зависимости скорости счета импульсов в логарифмическом масштабе от квадрата уровня дискриминации различных образцов при различных условиях собирания заряда и параметрах электронной аппаратуры.

В табл. 1 приведена Характеристика энергетических спектров тяжелых продуктов деления различных нуклидов.

В табл. 2 приведены Периоды полураспада делящихся нуклидов и характеристика - излучения.

В табл. 3 приведены Средние энергии образования ионов в чистых газах под воздействием ионизирующих частиц.

В табл. 4 приведены Значения коэффициентов t-распределения Стьюдента при различных значения v-l.

В табл. 5 приведены Значения среднего заряда в импульсе от нейтронов различных модификаций камер деления.

Способ осуществляется следующим образом.

Камеру деления 1, содержащую электрод 2 и делящийся материал 3, подключают по схеме, показанной на фиг. 1. Трехэлектродную конструкцию камеры 1, содержащую дополнительный компенсационный электрод, - по схеме, показанной на фиг. 2.

Облучают потоком нейтронов.

Измеряют электрический ток I_n от нейтронов в цепи сигнального электрода прибором, например типа вольтметр-электрометр универсальный В7-30, обеспечивающим максимальную погрешность измерения тока не выше 5% в диапазоне от 110^-12 А (переключатель 4 в положении "1").

Наиболее точное измерение электрического тока от нейтронов производят при компенсации фонового тока измеряемого образца I фоновым током контрольного образца, включенного в дифференциальную схему. При этом контрольный образец не подвергают облучению, а разность собственных фоновых токов от - излучения компенсируют измерительным прибором. В этом случае полная относительная погрешность _n определения значения I_n задается точностью измерительного прибора.

Когда I 0,05(I+I_n), значение I_n возможно определить разностью результатов измерений I_n и I. При этом _n рассчитывают по формуле

_n = (I_fn+I_f)/I_n,

где I_fn - полная абсолютная погрешность измерения I_fn; I_f - полная абсолютная погрешность измерения I_f.

Камеру деления 1 подключают к блоку усиления импульсов 5 (переключатель 4 в положении "2"). Наиболее перспективно использовать зарядочувствительный дифференциальный усилитель. В усилителе этого типа заряд q в импульсе тока на входе преобразуется в импульс напряжения U_вых на выходе. Коэффициент преобразования K_П связан с электрической емкостью обратной связи C_ос соотношением

K_П = q/U_вых I/C_ос.

Основные параметры зарядочувствительного усилителя:

коэффициент преобразования K_П не менее 110¹² В/Кл;

частота пропускания импульсов не менее 10⁷ Гц;

уровень собственных шумов не более 510^-15 Кл;

отклонение от линейности амплитудных выходных сигналов в диапазоне 0,1 - 0,25 В не более 3%.

Импульс напряжения поступает на вход усилителя мощности. Коэффициент усиления K_П не менее 10.

Амплитудный дискриминатор Д обеспечивает регулируемый порог дискриминации в интервале амплитуд на выходе блока усиления от амплитуд фоновых импульсов от - излучения до амплитуды импульсов тяжелых продуктов деления с наиболее вероятной энергией с погрешностью не более 5%. В описанном блоке усиления порог дискриминации регулируется от 0,1 В.

При облучении нейтронами тяжелых ядер происходит реакция деления, в которой с вероятностью около 0,999 образуются два осколка, которые принято различать на "легкие" и "тяжелые". Тяжелый осколок деления приобретает более низкую кинетическую энергию по сравнению с легким. Спектры "легких" и "тяжелых" продуктов деления разделяются на две группы, плотность энергетического распределения каждой из которых описывается распределением Гаусса. Средняя кинетическая энергия тяжелых продуктов деления E_Р ниже средней кинетической энергии легких продуктов деления. Значения E_Н и ширина распределения для различных нуклидов приведены в таблице 1.

В процессе распространения продукты деления сталкиваются с атомами делящегося материала и теряют свою энергию. На фиг. 3 показаны расчетные энергетические распределения продуктов деления, вылетающих из слоев делящегося материала различной толщины d, выраженной в единицах средней длины пробега продуктов деления в делящемся материале R, и равной 0,0625, 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4 относительных единиц. Эти распределения продуктов деления по энергии E обозначены позициями 6, 7, 8, 9 и 10 соответственно. Значения R в диоксиде урана (UO₂) и оксиде диоксида урана (U₃O₈) соответственно равны 7,44 и 7,94 г/см². На этой же фигуре нанесено значение (E_H-) тяжелых продуктов деления ²³⁵U.

Делящиеся нуклиды испускают - частицы. Периоды полураспада различных нуклидов и энергии сопутствующего - излучения приведены в табл. 2. Следует отметить, что даже в обогащенном по нуклиду ²³⁵U уране - активность связана с изотопами ²³⁴U и ²³³U, обладающими сравнительно коротким периодом полураспада. Граничная энергия - частиц обозначена на фиг. 3 символом E. Видно, что плотность вероятности вылета продуктов деления из слоев делящегося материала толщиной не более 0,4d/R в интервале от E до (E_H-) имеет минимальное значение.

Вылетающие из слоя делящегося материала продукты деления и - частицы в процессе торможения в газонаполненном межэлектродном промежутке камеры деления образуют свободные электроны и ионы. Энергия, необходимая для образования одной пары ионов в газах или газовых смесях, характеризуется средней энергией образования ионов w. Величина w практически не зависит от типа ионизирующих частиц. Значения w для чистых газов приведены в табл. 3. Образованные в межэлектродном промежутке камеры носители заряда под воздействием электрического поля, созданного внешним источником электрического напряжения питания, обусловливают возникновение импульса электрического тока от каждой заряженной частицы. Длительность и амплитуда импульса тока определяются временем собирания электронов, подвижность которых значительно выше, а время собирания значительно меньше по сравнению с ионами.

Для наглядности на фиг. 4 показаны аппаратурные распределения импульсов по амплитуде в заполненной аргоном камере деления типа КНК с покрытием U₃O₈ толщиной 0,1 мг/см², полученные при облучении нейтронами. В этом изделии делящееся покрытие нанесено на поверхности одного из электродов. Распределения 11 и 12 получены с помощь многоканального амплитудного анализатора АА типа LP-4900 NOKIA Electronics (переключатель 13 на фиг. 1, 2 в положении "1") соответственно при положительной и отрицательной разности потенциалов между электродами относительно электрода, на поверхности которого нанесен слой делящегося материала. Значение K_ПK_У блока усиления равно 1,610¹³ В/Кл.

При условии полного собирания носителей заряда в межэлектродном промежутке камеры максимальная амплитуда импульсов от фонового - излучения U_d связана с максимальной энергией спектра - -излучения E соотношением

U_d = eK_ПK_УE/w,

где e - заряд электрона. Верхняя граница U_dH интервала, в котором производят измерения скорости счета импульсов и аппаратурное распределение импульсов в камере со средней толщиной слоя делящегося материала не более 0,4d/R приобретает минимальное значение U_dm, ограничена средней энергией тяжелых продуктов деления. Учитывая, что w не зависит от типа ионизирующих частиц, получим



В тех же условиях облучения измеряют количество импульсов N_d в фиксированном интервале времени t или скорость счета импульсов n_d при различных значениях уровня дискриминации U_d в интервале



внутри которого абсолютное значение наклона зависимости N_d или n_d от U_d принимает минимальное значение U_dm, то есть интегральное распределение импульсов по амплитуде (переключатель 13 на фиг. 1, 2 в положении "2"). Результаты измерения интегральных спектров импульсов камеры деления КНК с покрытием U₃O₈ толщиной 0,1 мг/см² в указанном выше интервале U_d, полученные при тех же условиях собирания носителей заряда, что при измерении аппаратурных распределений 11 и 12, обозначены на фиг. 5 позициями 14 и 15. Здесь же кривые 16 и 17 обозначают соответственно вклад импульсов от фонового - излучения, полученных при отсутствии нейтронов. В этих измерениях K_ПK_У = 1,610¹³ В/Кл. Стрелками обозначены значения U_dm соответственно для каждого распределения.

Каждое измерение N_d или n_d при фиксированном значении U_d в указанном выше интервале производят v 2 раз в интервалах времени t_i, минимальная длительность которых зависит от плотности потока нейтронов, характеристики замедлителя и чувствительности камеры.

Среднее значение N_d при равных значения t_i вычисляют по формуле



а среднее значение n_d - по формуле



где N_i - количество импульсов, зарегистрированных в i-ом измерении за время t_i, i = 1,...,v - порядковый номер измерения. Интервал времени между отдельными измерениями не регламентируется.

Стандартное среднеквадратичное отклонение S результатов измерений от среднего значения N_d или n_d находят по формуле



или



соответственно.

Абсолютную погрешность s результата определения N_d или n_d оценивают по формуле



Значение коэффициента t_(v-1) в зависимости от количества измерений v при фиксированном уровне дискриминации представлены в таблице 4 для доверительной вероятности P от 0,9 до 0,99 (надежности от 90 до 99%). Полную относительную погрешность определения значения N_d или n_d рассчитывают соответственно по формулам = s/N_d или = s/n_d.

Интегральное распределение импульсов деления N_d(U_d) или n_d(U_d) представляет собой конечную непрерывную функцию вида f(U_d). Представим эту функцию в виде ряда Маклорена



где r₃ << f(0) - остаточный член в форме Лагранжа; f(0) = n₀ при измерении n_d или n₀ = f(0)/t при измерении N_d; f = - - аппаратурное распределение импульсов деления по амплитудам. Из фиг. 1 и 2 видно, что при U_d в интервале (0, U_d) вклад скорости счета значительно меньше по сравнению с n₀. Полагая (0) = 0, последнее соотношение запишем в виде



то же в логарифмическом масштабе

ln f(U_d) = ln n₀-ln{1-[AU²_d-r₃(U_d)/n₀]}.

Если представить второй член разности в виде степенного ряда, отбросить слагающие более высокого порядка по сравнению с r₃ и учесть, что abs|AU_d| достигает минимального значения в окрестности U_dm и слабо зависит от U_d в подинтервале [U_dm-(U_dm-U_d), U_dm+(U_dm-U_d)], получим

ln f(U_d) = ln n₀-AU²_d

в подинтервале U_d U_d 2U_dm-U_d или

f(U_d) = n₀exp(-AU²_d)

в подинтервале U_d U_d 2U_dm-U_d, где A = /2n₀.

Именно в этом подинтервале производят по крайней мере одно измерение значений N_d(U_d) или n_d(U_d) и аппроксимацию результатов измерений обратной экспоненциальной функцией f в зависимости от квадрата аргумента.

Значение Q определяют по формуле.

Q = I_nn₀,

где n₀ = f(U_d = 0)/t при измерении N_d или n₀ = f(U_d = 0) при измерении n_d.

На фиг. 6 показаны в логарифмическом масштабе нормированные на соответствующие значения n₀ распределения (U_d) 18 и 19, обозначенные на фиг. 5 позициями 14 и 15 соответственно, в зависимости от квадрата аргумента. На этой же фигуре позициями 20 и 21 показаны результаты измерений камеры деления с толщиной делящегося покрытия 1 мг/см² в сборке при различных значениях K_ПK_y. Граничные значения подинтервала [U_d, (2U_dm-U_d)], [U²_d, (2U_dm-U_d)²] на фиг. 5 и 6 соответственно обозначены для распределения 14 и 18. Видно, что в указанном выше подинтервале значений U_d плотность

распределения описывается обратной экспоненциальной функцией в зависимости от квадрата аргумента, а параметр n₀ не зависит ни от полярности напряжения питания камеры, ни от коэффициентов преобразования, усиления импульсов электронной аппаратурой.

Относительную систематическую погрешность определения значения n₀ оценивают по результатам измерений вблизи краев интервала. Действительно



Отсюда

n₀ f(U_d)f(2U_dm-U_d)/f(U_d).

Это отношение позволяет оценить относительную погрешность ₀ определения значения n₀. При условии одинаковой точности измерений N_d(U_d) или n_d(U_d) в подинтервале U_d U_d 2U_dm-U_d значения

В этом случае погрешность _Q определения Q рассчитывают по формуле



Результаты измерения Q в камерах деления типа КНК, блоках детекторов и узлах, содержащих камеру деления с плоскопараллельными электродами приведены в табл. 5. Расстояние между поверхностями соседних разноименных электродов в этих конструкциях около 1,6 мм.

Продукты деления теряют энергию, главным образом, в ионизационных столкновениях с атомами. Если принять, что соблюдаются условия Брэгга-Грея, то Q связан со средней потерей энергии продуктами деления соотношением



где e - заряд электрона; - плотность газа в камере; P - давление газа в камере; - молекулярная масса газа в камере; V₀ - стандартный объем идеального газа; P₀ - давление газа, равное одной технической атмосфере; D_эф - эффективное расстояние между электродами.

В конструкциях, в которых средняя длина пробега продуктов деления, выраженная в единицах плотности материала, значительно превышает расстояние D между электродами, значения описываются обратной экспоненциальной функцией в зависимости от d/R. Следовательно, при толщине покрытия делящегося материала не выше 0,4 d/R в интервале давления аргона 0,1 P 0,5 МПа и расстоянии между электродами D₀ = 1,6 мм, значения Q описываются соотношением



Значения коэффициентов a и b, определенные методом наименьших квадратов по результатам измерений, представленных в табл. 5, соотвественно равны 1,7510⁷ и 5,31. Относительное отклонение измеренных по данному способу значений Q от вычисленных по приведенному выше соотношению составляет 9% при доверительной вероятности 0,95 (надежности 95%).

Обобщенную формулу представим в виде



где - отношение средних массовых тормозных способностей продуктов деления газом в камере и аргоном; - отношение средних массовых длин пробегов продуктов деления в аргоне и в газе внутри камеры; _Ar, w_Ar - молекулярная масса аргона и средняя энергия образования ионов ионизирующими частицами в аргоне соответственно; D - расстояние между электродами в камере. Пользуясь аналитическими выражениями и R для продуктов деления, эту формулу преобразуем к виду



где a₁=3,61. Z_s - эффективный атомный номер газа в камере; Z_i - средний заряд ядра легких (i = 1) и тяжелых (i = 2) продуктов деления; A_s - массовое число атомов газа в камере.

Описанный выше способ позволяет определять одну из основных характеристик устройств с камерой деления, предназначенных для работы в составе аппаратуры систем управления и защиты реактора, с погрешностью 3 - 9% в зависимости от количества измерений в указанном выше подинтервале. Наряду с определением Q максимальную чувствительность к нейтронам слоя делящегося материала или максимальную чувствительность K камеры деления к нейтронам вычисляют по формуле

K = k_n/Q,

где k_n - токовая чувствительность к нейтронам. При этом относительную погрешность _K определения значения K вычисляют по формуле



где _k - погрешность определения значения k_n. Наиболее высокую точность определения k_n достигают, когда измерения производят в образцовых источниках нейтронов типа ОИ-Т или используют аттестованные по плотности потока нейтронов образцы. При этом погрешность определения значения K составляет 7 - 10% в зависимости от точности воспроизведения единицы потока нейтронов источников излучения ОП-Т или точности определения чувствительности контрольного образца.