способ для определения направленности радиоактивного излучения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения направленности радиоактивного излучения, включающий создание объема метастабильной протянутой текучей среды; размещение объема метастабильной протянутой текучей среды в непосредственной близости от источника радиоактивного излучения; определение положения кавитаций, вызванных радиоактивным излучением, в метастабильной протянутой текучей среде; и определение направления источника радиоактивного излучения на основании кавитаций, вызванных радиоактивным излучением, в метастабильной протянутой текучей среде, при этом этап определения положения вызванных радиоактивным излучением кавитаций включает этап определения разности времени между моментами начала кавитаций, вызванных ударными волнами сигналов, которая вычисляется при обработке сигналов, полученных от ряда регистрирующих сигналы преобразователей, установленных на камере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем метастабильной протянутой текучей среды имеет форму, обладающую, по меньшей мере, одной осью симметрии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что метастабильная протянутая текучая среда является метастабильной акустически протянутой текучей средой.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап определения положения вызванных радиоактивным излучением кавитаций включает в себя детектирование кавитаций, вызванных ударными волнами, путем обработки сигналов, полученных от ряда установленных на камере преобразователей, регистрирующих сигналы, при этом дальнейшая обработка сигналов содержит этап минимизации систематической ошибки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап определения положения вызванных радиоактивным излучением кавитаций включает в себя детектирование сигналов, вызванных ударными волнами, при обработке сигналов, полученных от ряда установленных на камере преобразователей, регистрирующих сигналы, при этом дальнейшая обработка сигналов содержит этап минимизации систематической ошибки, который содержит этап детектирования сигналов, которые поступают от регистрирующих сигналы преобразователей, превышающих уровень порогового напряжения, определяемый при асимптотическом сравнении откликов всех преобразователей.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап определения положения вызванных радиоактивным излучением кавитаций включает в себя определение положения кавитаций методом гиперболического позиционирования.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап определения положения источника радиоактивного излучения включает в себя определение отношения числа кавитаций, происходящих, по меньшей мере, в двух частях камеры.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, дополнительно включает сравнение числа кавитационных событий, выполняемое без учета числа событий в объеме пространства, включающего в себя, по меньшей мере, часть центральной вертикальной оси.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает использование разности давлений для увеличения удлинения пузырьков кавитации в направлении переноса энергии падающего радиоактивного излучения к молекулам жидкости.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает наблюдение за формой пузырьков, образующихся при кавитационных событиях.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап определения направления источника радиоактивного излучения включает этап определения главной оси удлиненных пузырьков кавитации, вызванных радиоактивным излучением.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, дополнительно включает визуальное определение направления падающего радиоактивного излучения от главной оси удлиненного пузырька кавитации, вызванного радиоактивным излучением.

13. Устройство для определения направленности падающего радиоактивного излучения, содержащее камеру, содержащую текучую среду, систему управления, связанную с механизмом для деформации камеры, которые совместно функционируют для создания и поддержания в текучей среде напряженного метастабильного состояния, достаточного для формирования кавитационных пузырьков при столкновениях молекул текучей среды с налетающими ядерными частицами, ряд преобразователей, регистрирующих сигналы, расположенных в разных частях камеры и имеющих электронную связь с системой для определения положения кавитационных событий в объеме текучей среды, при этом ряд преобразователей выполнен с возможностью выдавать сигналы, превышающие уровень порогового напряжения, определяемый при асимптотическом сравнении откликов всех преобразователей для минимизации систематической ошибки при обработке сигналов.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что камера является герметичной.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что текучая среда в камере выбирается из группы текучих сред, состоящей из ацетона, фреона, бензола, изопентана, триметилбората, воды и их комбинаций.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры включает, по меньшей мере, один преобразователь, содержащий пьезоэлектрический материал.

17. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры включает в себя, по меньшей мере, один преобразователь, содержащий пьезоэлектрический материал, в состав которого входит цирконат-титанат свинца.

18. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры включает в себя, по меньшей мере, один преобразователь, содержащий пьезоэлектрический материал, в состав которого входит керамика.

19. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры включает в себя, по меньшей мере, один преобразователь, содержащий пьезоэлектрический материал, в состав которого входит титанат бария.

20. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры включает, по меньшей мере, один преобразователь, установленный на камере с возможностью охвата окружности камеры в средней плоскости или в плоскости, соответствующей требуемому распределению колебательного давления сжатия/растяжения.

21. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры включает ряд преобразователей, установленных на камере в различных положениях в плоскости, соответствующей требуемому распределению колебательного давления сжатия/растяжения.

22. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что механизм для деформации камеры содержит, по меньшей мере, один электрически возбуждаемый пьезоэлектрический элемент, установленный на стенке камеры, способный производить изменения положительного и отрицательного давления в текучей среде для создания резонансных колебаний и напряженного метастабильного состояния, достаточного для нуклеации пузырьков при столкновении молекул текучей среды с налетающими ядерными частицами.

23. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что совокупность регистрирующих сигнал преобразователей, расположенных в разных частях камеры и имеющих электрическую связь с системой для определения положения кавитационных

событий в объеме текучей среды, включает в себя, по меньшей мере, четыре регистрирующих сигнал преобразователя.

24. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что совокупность регистрирующих сигнал преобразователей, расположенных в разных частях камеры и имеющих электрическую связь с системой для определения положения пузырьков кавитационных событий в объеме текучей среды, включает в себя, по меньшей мере, три регистрирующих сигнал преобразователя, расположенных в одной плоскости, и, по меньшей мере, один регистрирующий сигнал преобразователь, расположенный вне этой плоскости.

25. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что система для определения положения пузырьков в объеме текучей среды включает систему обработки сигнала, содержащую фильтр нижних частот, задерживающий сигнал основной частоты возбуждения.

26. Устройство по п.13, отличающееся тем, что система для определения положения пузырьков в объеме текучей среды включает систему обработки сигнала, которая сравнивает прошедшие фильтрацию сигналы от регистрирующих сигнал преобразователей для определения временной задержки прихода сигналов от пузырьков к регистрирующим сигнал преобразователям, и использует способ позиционирования для определения положения охлопывающихся пузырьков в камере.

27. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что система для определения положения пузырьков в текучей среды включает систему обработки сигнала, определяющую число и положение пузырьков кавитации в камере.

28. Устройство по п.13, отличающееся тем, что система для определения положения пузырьков в текучей среде включает систему обработки сигнала, которая включает систему визуального наблюдения, фиксирующую образование пузырьков в объеме текучей среды в режиме реального времени и определяющую направленность по главной оси удлиненных пузырьков кавитации.

29. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что камера имеет такие размеры и форму, которые позволяют производить направленное детектирование радиоактивного излучения, допускающее накопление вызванных рассеянием кавитационных событий в разных частях камеры.

Описание изобретения к патенту

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к способам определения направленности радиоактивного излучения. В частности, настоящее изобретение относится к способам определения направленности радиоактивного излучения с помощью системы детектирования на основе метастабильной протянутой текучей среды.

Уровень техники

[0004] Человеческие органы чувств не позволяют обнаружить радиоактивное излучение. Для обнаружения и измерения уровня радиоактивного излучения существуют различные портативные и лабораторные приборы, например счетчики Гейгера. Однако такие устройства не дают информации о расположении источника радиоактивного излучения.

Сущность изобретения

[0005] Настоящее изобретение характеризует способ определения направления на источник радиоактивного излучения.

[0006] Согласно способу определения направления на источник радиоактивного излучения, объем метастабильной текучей среды в камере разделяется на совокупность секторов, при этом текучая среда помещается вблизи источника радиоактивного излучения, и по анализу количества образования кавитационных образований, происходящих под воздействием радиоактивного излучения в разных частях или секторах камеры, определяется отношение числа кавитаций в противоположных секторах камеры, и, исходя из отношений числа кавитаций в противоположных секторах, рассчитанных для множества соответствующих секторов, делается вывод о расположении источника радиоактивного излучения.

[0007] Известна система детектирования нейтронов с возможностью определения направления на источник. Не полагаясь на нейтронные или другие радиационные (например, фотонные) взаимодействия, не дающие информации о направлении на источник обнаруженного излучения, система детектирования на основе акустически протянутой метастабильной текучей среды (АРМТСД) может использоваться для указания направления на источник радиоактивного излучения.

[0008] При работе системы АРМТСД вероятность возникновения кавитационного события, вызванного нейтроном/излучением, зависит от растяжения или отрицательного давления текучей среды и интенсивности потока нейтронов/излучения. Одно из воплощений настоящего изобретения использует акустически протянутую метастабильную текучую среду с почти осесимметричным по горизонтали профилем давления, при котором отрицательное давление во всех точках, равноудаленных от центра, практически одинаково. В такой системе вероятность кавитации зависит от интенсивности потока нейтронов/излучения. Поскольку при удалении от источника и по мере рассеяния и поглощения интенсивность потока нейтронов/излучения уменьшается, ближайший к источнику боковой сектор детектора имеет повышенную вероятность детектирования. Определив положение выборочной совокупности кавитационных событий, можно получить информацию о направлении на источник при исследовании неравномерности в расположении кавитационных событий.

[0009] Расположение центра кавитации, связанного с детектированием нейтрона/излучения, может определяться с помощью регистрации момента времени, в который ударная волна, созданная данной кавитацией, достигает различных точек на стенке детектора. Для определения положения источников ударных волн, созданных кавитациями, в детектор может быть встроено любое число датчиков. Может быть использовано любое соответствующее число датчиков, достаточное для получения информации о направлении. Например, четыре (диаметром приблизительно 7 мм) пьезоэлектрических датчика могут использоваться для регистрации прихода ударной волны от кавитационного события. По меньшей мере два, а предпочтительно три и более датчиков регистрации сигнала могут располагаться в одной плоскости, а один или более датчиков регистрации сигнала может располагаться вне этой плоскости. Сигналы от четырех датчиков впоследствии обрабатываются для получения требуемой информации о направленности. Дополнительная информация о направлении может быть получена с помощью исследования формы, приобретаемой пузырьками, во время и после завершения кавитационных событий. Такие кавитационные пузырьки, возникающие при столкновении нейтрона/излучения с ядрами атомов жидкости АРМТСД, находящейся в акустически созданном поле давления, расширяясь, преимущественно приобретают форму эллипсоида, указывая расположение источника излучения.

[0010] Системы АРМТСД, описываемые далее, обеспечивают следующие функции:

- Регистрация нейтронов специальных ядерных материалов (SNM) с энергиями вплоть до величин порядка 10,

- Регистрация альфа-частиц,

- Сохранение практически полной нечувствительности к квантам гамма-излучения,

- Функционирование с характеристической эффективностью около 90%,

- Предоставление информации о направлении на источник поступающего излучения в режиме реального времени.

[0011] Тестирование и квалификационные испытания проводились с использованием светового источника фотонов и плутониевого источника нейтронов и гамма-квантов. Настоящее изобретение предлагает концепцию моделирования и экспериментирования, а также демонстрацию работы системы АРМТСД.

Краткое описание чертежей

[0012] Фиг.1 представляет схематические изображения резонансных камер системы АРМТСД, в которых (а) используется несколько дискообразных датчиков совместно с полым цилиндрическим преобразователем, (б) используется несколько отдельных преобразователей, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

[0013] Фиг.2 представляет схематическое изображение распределения давления в камере при подводимой мощности 4,5 W и 10 W.

[0014] Фиг.3 представляет изображенный вид расположения элементов для моделирования в программе MCNP без соблюдения масштаба.

[0015] Фиг.4 представляет схематическое изображение отношения интенсивностей нейтронного потока на большом удалении для ацетона и фреона-113.

[0016] Фиг.5 представляет схематическую осциллограмму импульсов ударных волн до обработки сигнала. Чувствительность по вертикали 500 мВ/дел. Горизонтальная развертка 100 мс/дел.

[0017] Фиг.6 представляет схематическую осциллограмму импульсов ударных волн, проанализированных для получения информации о направленности. Чувствительность по вертикали 500 мВ/дел. Горизонтальная развертка 5 мкс/дел.

[0018] Фиг.7 представляет схематический вид экспериментальной установки с автоматизацией процесса определения направленности.

[0019] Фиг.8 представляет осевой разрез положений событий детектирования при использовании PuBe источника, помещенного на расстоянии -20,3 см от центральной оси камеры на линии Mic 1 и Mic 3.

[0020] Фиг.9 представляет схематическое изображение определения направления на источник в пределах ±30°. Сравнение результатов эксперимента с моделированием MCNP.

[0021] Фиг.10 представляет схематическое изображение всех зарегистрированных событий детектирования нейтронов, рассматриваемых на плоскости rz с наложенным результатом моделирования в среде COMSOL при подводимой мощности 4,5 W.

[0022] Фиг.11 представляет схематическое изображение распределения давления в камере при подводимой мощности 4,5 W (а) и 10 W (b).

[0023] Фиг.12 представляет изображенный вид расположения элементов для моделирования в программе MCNP без соблюдения масштаба.

[0024] Фиг.13 представляет схематическое изображение осциллограммы кавитационных ударных волн. Вертикальное отклонение для первого сигнала 20 мВ/дел, второго сигнала 200 мВ/дел. Горизонтальная развертка 50 мс/дел.

[0025] Фиг.14 представляет схематическую осциллограмму импульсов ударных волн, проанализированных для получения информации о направленности.

[0026] Фиг.15 представляет схематическое изображение частоты запусков, регистрируемых каждым датчиком для различных уровней запуска.

[0027] Фиг.16 представляет схематический вид экспериментальной установки с автоматизацией процесса определения направленности.

[0028] Фиг.17 представляет схематическое изображение данных, полученных вручную с помощью четырехканального запоминающего 100 MSa/s осциллографа с полосой пропускания 100 MHz.

[0029] Фиг.18 представляет схематическое изображение положений кавитационных событий при помещении PuBe источника на расстоянии -35.5 см от центральной оси камеры на одной прямой с Mic 1 и Mic 3.

[0030] Фиг.19 представляет схематическое изображение положений кавитационных событий при помещении PuBe источника на расстоянии +35.5 см от центральной оси камеры на одной прямой с Mic 1 и Mic 3.

[0031] Фиг.20 представляет схематическое изображение всех зарегистрированных кавитационных событий, рассматриваемых в плоскости xz. Данные получены при расположении источника на расстоянии -35,5 и +35,5 см от центра камеры на оси х микрофонами 1 и 3.

[0032] Фиг.21 представляет схематическое изображение радиального распределения кавитационных событий, разделенных на две части (ближайшая к источнику и наиболее удаленная от источника); (а) данные, полученные при помещении источника на расстоянии -35,5 см от центра камеры по оси х; (b) данные, полученные при помещении источника на расстоянии 35,5 см от центра камеры по оси х.

[0033] Фиг.22 представляет изображение удлиненного пузырька в камере АРМТСД, указывающего на источник падающего излучения (в данном случае нейтроны от изотопного Pu-Be источника).

Описание предпочтительного варианта осуществления

[0034] В одном из способов для регистрации ядерных частиц используются состояния протянутой метастабильной текучей среды, которые создаются с помощью специальных акустических резонансных систем, например, детектора на основе акустически протянутой метастабильной текучей среды (АРМТСД). Регистрация радиоактивного излучения с использованием метастабильных текучих сред производится с помощью анализа макромеханических проявлений, происходящих вследствие ядерных взаимодействий на фемтоскопическом уровне. Налетающие ядерные частицы могут взаимодействовать с динамически протянутой метастабильной текучей средой со значительно ослабленными межмолекулярными связями таким образом, что отдача ионизированных ядер приводит к образованию наноскопических пузырьков пара, вырастающих до видимых размеров. Ионизированные ядра преимущественно образуются как можно ближе к источнику радиоактивного излучения, тем самым впервые предоставляя возможность получить информацию о направленности падающего радиоактивного излучения.

[0035] Настоящее изобретение предлагает усовершенствования для обнаружения расширенного круга ядерных частиц, регистрации нейтронов с диапазоном энергий до величины порядка 10⁸, повышения характеристической эффективности детектирования свыше 90%, и получения недостижимой ранее информации о направленности падающего радиоактивного излучения. В одном из примеров согласно настоящему изобретению предлагаются жидкая композиция и способ для увеличения точности и достоверности при получении информации о направленности, в котором применяются оптимизированные вычислительные алгоритмы, усовершенствованный метод обработки и анализа сигнала и возможность увеличения чувствительного объема детектора.

[0036] Преимущество в конструкции систем АРМТСД может быть достигнуто при сочетании экспериментальных методов с теоретическим моделированием. Методики моделирования включают в себя моделирование процесса переноса ядерных частиц с использованием метода Монте-Карло при помощи программы MCNP5 и комплексных мультифизических оценок, объясняющих акустические, структурные и электромагнитные взаимодействия в системе АРМТСД при помощи среды мультифизического моделирования COMSOL. Тестирование и квалификационные испытания проводились с использованием специальных ядерных материалов, включая плутониевые источники нейтронов и гамма-частиц. Полученные результаты показали, что система АРМТСД в своей настоящей конфигурации способна определять расположение источника радиоактивного излучения с точностью до 30° и достоверностью свыше 80%.

[0037] Детектирование радиоактивного излучения при помощи протянутой метастабильной текучей среды частично основано на принципе, согласно которому налетающие ядерные частицы взаимодействуют с протянутой текучей средой со значительно ослабленными межмолекулярными связями таким образом, что ядерные частицы обладают способностью инициировать в текучей среде локальный фазовый переход взрывного характера (в виде пузырьков). Жидкость в протянутом состоянии является метастабильной при температуре ниже температуры ее теплового равновесия, в отличие от перегретой жидкости, находящейся в состоянии теплового перегрева выше точки кипения при нормальных условиях. Растяжение в текучих средах аналогично растяжению твердых тел. Энергия, необходимая для разрыва межмолекулярных связей в твердом теле, уменьшается по мере нарастания напряжения в структуре. Аналогичным образом, избыточная энергия, необходимая для разрыва межмолекулярных связей между молекулами жидкости, уменьшается при увеличении метастабильности растяжения; в конечном итоге завершаясь спонтанным запуском взрывного процесса фазового перехода при достижении спинодального предела растяжения. Ниже этого предела устойчивости для запуска процесса фазового перехода в метастабильной текучей среде необходим избыток энергии. Данный избыток энергии может быть получен в результате взаимодействия с ядерными частицами (например, нейтронами, альфа-частицами, бета-частицами, продуктами деления, и т.п.) или даже с фотонами видимого света. Это явление дает возможность производить исследование событий, происходящих на уровне ядерных частиц фемтоскопического размера (×10 ¹³), при помощи методов исследования событий макроскопического масштаба, позволяя использовать в целях ядерной энергетики и науки новые недорогие ультрачувствительные детекторы, например описанные ниже системы детектирования на основе акустически протянутой метастабильной текучей среды (АРМТСД).

[0038] Настоящее изобретение касается определения направления потока нейтронов в MeV диапазоне (например, нейтронов, испускаемых такими специальными ядерными материалами, как U, Pu, Cf, Am, Cm, и т.п.) при помощи непосредственных прямых столкновений с рабочей текучей средой детектора.

[0039] При использовании метода АРМТСД оказывается возможным не только определение энергии и интенсивности падающего радиоактивного излучения, но и получение информации о расположении источника радиоактивного излучения - функция, имеющая значительный потенциал для применения в различных областях, включая определение демаскирующих признаков нейтронного излучения специальных ядерных материалов в целях национальной безопасности. Система АРМТСД позволяет получать информацию о направлении благодаря увеличенной вероятности появления вызванного нейтроном события детектирования в ближайшем к источнику пространственном секторе объема протянутой текучей среды. Вероятность появления вызванного нейтроном события детектирования является функцией отрицательного давления в текучей среде детектора, а также интенсивности потока и энергии нейтронов. Так как распределение давления практически осесимметрично, вероятность событий детектирования является функцией интенсивности потока и энергии нейтронов. Поскольку интенсивность потока нейтронов с заданной энергией убывает по мере удаления от источника и степени рассеяния и поглощения, часть чувствительного объема, ближайшая к источнику, имеет наивысшую вероятность детектирования. Определение местонахождения таких событий детектирования внутри детектора позволяет пользователю получить информацию о направлении на источник радиоактивного излучения. Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный подход к механизму определения направленности.

Условные обозначения

[0040] АРМТСД - Система на основе метастабильной текучей среды в акустически протянутом состоянии

[0041] COMSOL - COMSOL Multiphysics - мультифизическая среда моделирования COMSOL

[0042] GPIB - General purpose interface bus (IEEE 488) - интерфейс GPIB (магистральный канал общего пользования (КОП))

[0043] GPS - Global positioning system - Глобальная система определения координат

[0044] Lab VIEW - Графический язык программирования

[0045] LET - Линейный перенос энергии (также dE/dx)

[0046] PuBe - плутониево-бериллиевый источник нейтронов

[0047] PZT - ЦТС - цирконат-титанат свинца

[0048] Mic - Микрофон

[0049] MCNP5 - программа для моделирования процесса переноса нейтронов, фотонов и электронов в материальных системах с использованием методов Монте-Карло, Версия 5

[0050] OD - Наружный диаметр

[0051] SDD - Детектор перегретых капель

[0052] SNM - Специальный ядерный материал

[0053] TDOA - Разность времени между моментами прихода сигналов (также t)

[0054] TMFD - Детектор на основе метастабильной протянутой текучей среды

[0055] V1 - Ближайший к источнику чувствительный объем (или сектор)

[0056] V2 - Наиболее удаленный от источника чувствительный объем (или сектор)

[0057] XatMaxY - Время в точке амплитудного максимума относительно момента запуска.

[0058] XatMinY - Время в точке амплитудного минимума относительно момента запуска.

Конструкция АРМТСД

[0059] В качестве камеры может быть использована любая камера, пригодная для создания метастабильной протянутой текучей среды, предпочтительно метастабильной акустически протянутой текучей среды, в которой может быть создано осесимметричное распределение давления, при котором все точки, равноудаленные от центральной оси, находятся под практически равным отрицательным давлением, например камера цилиндрической формы. По технологическим причинам стеклянные цилиндры имеют незначительное (обычно ~10-100 мкм) отклонение толщины стенки и диаметра как по окружности, так и по высоте. Вследствие этого истинная центральная ось резонансной камеры может быть сдвинута в сторону от линии центров. Такой сдвиг может создать асимметрию в распределениях колебательного давления в радиальном и осевом направлениях. Эти отклонения должны быть учтены заранее при определении характеристик системы. Например, положение истинной центральной оси можно определить, снимая диаграммы распределения переходного колебательного давления в интересующем диапазоне частот. В реальных системах переменные давления на равных расстояниях от геометрической оси практически одинаковы, хотя и несколько асимметричны до некоторого известного уровня, что позволяет вносить корректировки при извлечении информации о направленности. В некоторых воплощениях настоящего изобретения соответствующие камеры могут испытывать механическую деформацию в динамическом режиме импульсами от внешнего преобразователя для создания стоячих акустических волн в текучей среде, находящейся в камере. В некоторых воплощениях настоящего изобретения камера имеет размер и форму, которые позволяют определение направления на источник радиоактивного излучения, допускающее скопление пузырьков кавитационных событий, произошедших вследствие рассеяния, в различных частях камеры. Волна давления может состоять из колеблющихся положительных и отрицательных давлений, причем диапазон отрицательных давлений не превышает спинодальный предел растяжения, но позволяет энергии, высвобождаемой в результате взаимодействия ядерных частиц с молекулами текучей среды, запустить фазовый переход, также известный как нуклеация пузырька или кавитационное событие. Обычно при использовании в качестве рабочей текучей среды фреона-113 выбирается отрицательное давление около -2,5 бар или менее в присутствии нейтронов с энергией около 4 МэВ от SNM, например Pu-Be источника. При использовании в качестве рабочей текучей среды ацетона отрицательное давление выбирается на уровне -3,5 бар или менее. Необходимое отрицательное давление зависит от энергии внешних нейтронов и может быть предварительно откалибровано путем сравнения с источниками нейтронов известной энергии (например, с ускорительной системой или смесями изотопных источников альфа-частиц, таких как Am-Be, Am-Li, Am-В, Ат-С, Am-Fl и т.п.). Соответствующие камеры, как известно, могут быть изготовлены из кварца, стекла (предпочтительно Pyrex), керамики, поликарбонатов и различных металлов. В одном из воплощений настоящего изобретения резонансная акустическая камера представляет собой кварцевый цилиндр с полусферической верхней и нижней частью, который имеет внешний диаметр приблизительно 70 мм и длину 150 мм. На Фиг. 1а представлено схематическое изображение системы АРМТСД. Прочие размеры выбираются, исходя из используемой рабочей частоты. Камера заполняется текучей средой и, как правило, герметизируется. В камеру может быть установлено устройство для концентрации акустической энергии в текучей среде внутри камеры. Акустическая энергия может концентрироваться в текучей среде внутри камеры при помощи любых соответствующих способов, например с помощью полых стеклянных или кварцевых рефлекторов, один из которых помещается на поверхности рабочей текучей среды, а аналогичный рефлектор помещается в нижней части камеры. При использовании в качестве рабочей текучей среды химически неагрессивных веществ для изготовления рефлекторов могут применяться пластмассы, тефлон или поликарбонаты. Например, пьезоэлектрический преобразователь концентрической кольцеобразной формы, изготовленный из цирконата-титаната свинца (ЦТС), может прикрепляться к внешней поверхности камеры обычными способами (механически или с использованием эпоксидного компаунда) и использоваться для подвода энергии к акустической резонансной камере. Соответствующие преобразователи могут быть изготовлены из любого материала, способного создавать акустический резонанс в текучей среде, при этом к соответствующим материалам относятся керамические материалы, например титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС) и другие известные материалы. Использование полого цилиндра концентрической кольцеобразной формы не является необходимостью. Это особенно справедливо по отношению к системам АРМТСД большого диаметра, для которых создание больших концентрических кольцевых преобразователей связано со значительными затратами. В качестве альтернативы предлагается использование нескольких дисковых, например круглых, прямоугольных или иной формы преобразователей, размещенных в соответствии со схематическим изображением на Фиг.1б, совместно с полым цилиндром, как представлено на Фиг.1а, или без него, как представлено на Фиг.1б. В данной ситуации 4 подобных дисковых преобразователя размещаются в заданной плоскости и выполняют функцию возбуждения колебаний. Пятый преобразователь установлен на некотором возвышении и может быть значительно меньшего размера, т.к. выполняет функцию приемника сигналов ударных волн. Четыре преобразователя, размещенных в одной плоскости, используются не только для возбуждения колебаний, но и для приема сигналов ударных волн, исходящих от охлопывающихся пузырьков. В обоих случаях емкость и резонансную частоту преобразователя определяют толщина и размер материала. Например, для полого кольцевого преобразователя емкость прямо пропорциональна высоте кольца и обратно пропорциональна натуральному логарифму отношения внешнего и внутреннего диаметров полого цилиндра соответственно. Для круглого дискового преобразователя с поляризацией в плоскости или по высоте емкость прямо пропорциональна квадрату диаметра и обратно пропорциональна высоте. Такие преобразователи лучше всего использовать при соответствии их резонансной частоты частоте механического резонанса корпуса испытательной системы. Для испытательной системы с наружным диаметром 70 мм и длиной 150 мм, представленной на Фиг.1, частота механического резонанса (при заполнении ацетоном) составляет около 20 кГц, и емкость кольцевого преобразователя составляет 20 нФ. Для испытательной ячейки с внешним диаметром 70 мм емкость дисковых преобразователей, представленных на Фиг.1б, также должна быть около 20 нФ, но их размеры должны выбираться для работы на резонансной частоте 20 кГц. Для систем большего диаметра изменение частоты механического резонанса в первом приближении обратно пропорционально отношению диаметров рассматриваемых систем (т.е. для системы с внешним диаметром 140 мм можно ожидать понижение частоты механического резонанса приблизительно до 10 кГц) и, следовательно, емкость преобразователей должна быть соответственно откорректирована для приведения резонансной частоты преобразователя в соответствие с требуемыми 10 кГц для достижения максимальной эффективности источника колебаний. Более точная оценка механического резонанса системы, учитывающая многомерные 3D эффекты, может быть произведена при помощи непосредственного составления диаграмм распределения давления в испытательной системе на разных уровнях в рабочей жидкости на различных частотах и, таким образом, будет определена частота, при которой колебания давления будут максимальными. В качестве альтернативного варианта можно использовать методику мультифизического моделирования и имитации с использованием среды мультифизического моделирования COMSOL, как показано далее.

[0060] Преобразователи могут прикрепляться к камере при помощи связующего вещества, например клеящего материала. Подходящие связующие вещества должны иметь достаточную динамическую жесткость, соответствующую произведению плотности на скорость распространения звука в промежуточном материале между источником колебаний и устройством, получающим механические импульсы от осциллирующих на высокой частоте преобразователей. Связующее вещество выбирается таким образом, чтобы минимизировать рассеивание и/или потери акустической энергии, например на тепловое рассеивание. Например, для крепления преобразователей к стенкам камеры может быть использован эпоксидный компаунд. При использовании эпоксидного компаунда следует избегать захваченных пузырьков воздуха, неблагоприятно влияющих на соединение. Для повышения жесткости соединения в эпоксидный компаунд можно добавлять стеклокерамический припой, но для сохранения связующих свойств эпоксидного компаунда количество добавляемого стекла должно быть ограничено. Для крепления преобразователей можно также применять вещество Stycast. В качестве связующих веществ могут быть использованы металлы, находящиеся в жидком состоянии при комнатной температуре, например галинстан - эвтектический сплав Ga, In и Sn, или другие текучие среды с очень низким давлением насыщенного пара, например тетрадекан или глицерин. Акустическая энергия хорошо передается через подобные вещества. Боковая поверхность полости, содержащей текучую среду, которая передает акустическую энергию от преобразователя к стеклянной стенке, может быть загерметизирована по периметру при помощи эпоксидных компаундов или силиконовых герметиков.

[0061] В системе АРМТСД могут быть использованы различные текучие среды, например, в настоящем изобретении предполагается использовать ацетон, фреон, бензол, изопентан, триметилборат, воду и т.п. Детектирующие текучие среды, имеющие большее содержание водорода, могут применяться для увеличения воздействия рассеяния на отношение интенсивностей потока нейтронов, что, в свою очередь, может привести к повышению разрешения при определении направленности на большом расстоянии.

[0062] Бывшие в использовании устройства АРМТСД могут быть обновлены, например, путем замены преобразователей или добавления текучей среды в зазор между камерой и преобразователем. В процессе обновления устройств рекомендуется соблюдать осторожность при удалении эпоксидного компаунда или при добавлении текучей среды с тем, чтобы не повредить хрупкие преобразователи из ЦТС.

[0063] При работе устройства синусоидальный сигнал, усиленный линейным усилителем, используется для возбуждения пьезоэлектрического преобразователя, который может иметь радиальную или осевую поляризацию. Пьезоэлектрический материал, расширяющийся в одном направлении, сжимается в перпендикулярном направлений. Необходимость получения колебаний преимущественно радиального направления является причиной для выбора полых цилиндрических преобразователей из ЦТС, имеющих поляризацию в радиальном направлении; электроды у которых расположены на внутренней и внешней поверхностях колец. Также имеются и могут быть использованы вертикально поляризованные цилиндрические преобразователи из ЦТС, у которых электроды расположены на торцах преобразователя. В другом варианте несколько плоских дисковых пьезоэлектрических преобразователей могут крепиться (механически или клеем/эпоксидным компаундом) к стеклянной поверхности и приводиться в действие по отдельности или соединяться параллельно. Такая группа излучающих преобразователей служит двоякой цели: во-первых, излучает в АРМТСД энергию возбуждения, во-вторых, служит приемниками сигналов ударных волн, приходящих от охлопывающихся кавитационных пузырьков; сигналы ударных волн накладываются на основную частоту излучения. В этом случае удается обойтись без дополнительных малогабаритных микрофонов, в другом варианте, они могут использоваться для получения дополнительной акустической информации о работе системы АРМТСД и направленности. При резонансе механическая деформация кварцевой/стеклянной/керамической/ металлической камеры настоящих размеров может быть использована для создания стоячей акустической волны, состоящей из колеблющихся положительных и отрицательных (т.е. вакуум) давлений на частоте 20 кГц. В период времени, когда молекулы текучей среды находятся под отрицательным давлением, текучая среда находится в метастабильном состоянии, вследствие чего могут возникать следы попаданий ядерных частиц от падающего излучения.

Моделирование

[0064] Для описания попаданий частиц в системе АРМТСД используются два инструмента моделирования: COMSOL Multphysics (называемая далее COMSOL ) - среда мультифизического моделирования, основанная на методе конечных элементов, и MCNP5 - программа для моделирования процесса переноса ядерных частиц. COMSOL - это математическая модель, которая используется для решения комплексных мультифизических задач акустически-структурных взаимодействий, включая быстротечные вариации, структурную динамику, сильные многомерные аспекты, и электромагнитное взаимодействие. Программа MCNP5 может использоваться для трехмерной оценки пространственных и энергозависимых физических аспектов, влияющих на перенос нейтронов/излучения и энергетический спектр в чувствительном объеме системы АРМТСД.

Моделирование методом конечных элементов

[0065] Модель резонансной акустической камеры может быть разработана при использовании модуля структурной механики COMSOL , содержащего анализ деформации напряжения и пьезоэлектрических эффектов и модуль переноса акустических волн совместно с электромагнитным взаимодействием. Вследствие сложности задачи модель COMSOL использует методы конечных элементов для решения задачи в частотной области.

[0066] Аналогичные модели, использующие в качестве рабочей жидкости этиленгликоль и ацетон, сравнивались с экспериментальными данными по распределению давления и частотной спектральной характеристике. Система АРМТСД моделировалась как осесимметричная, симметрично относительно центральной оси. В качестве текучей среды детектора в модели использовался чистый ацетон при 25°С. Фиг.2 представляет зависимость между изменением мощности, подводимой к преобразователю из ЦТС, и пространственными характеристиками чувствительного объема камеры на резонансной частоте 18,78 кГц. При такой конфигурации детектора чувствительный объем камеры определяется как объем камеры, в котором амплитуда колебаний отрицательного давления составляет -3.5 и более бар, что является порогом отрицательного давления для детектирования быстрых (МэВ) нейтронов в ацетоне.

[0067] Как представлено на Фиг.2, удвоение мощности, подводимой к преобразователю с 4.5 W до 10 W, приводит к линейному увеличению чувствительного объема с 50 см³ до 100 см³. Увеличение чувствительного объема детектора не только повышает эффективность детектирования, позволяя большему числу нейтронов взаимодействовать с чувствительным объемом камеры, но также приводит к увеличению радиального размера чувствительного объема, что может быть использовано для повышения точности информации о направленности и повышения эффективности детектирования.

Моделирование методом Монте-Карло

[0068] Оценки переноса ядерных частиц могут быть произведены с использованием программы MCNP5, разработанной Национальной Лабораторией в Лос-Аламосе, Нью-Мексико, США. Модель состоит из резонансной камеры АРМТСД и плутоний-бериллиевого источника нейтронов (испускающего порядка 2×10⁶ н/сек), находящегося на расстоянии 20,3 см от центральной оси камеры. Для моделирования используется осесимметричная модель камеры. Соответствующие конструкционные материалы включают в себя кварц для рефлекторов, цирконат-титанат свинца (ЦТС) для пьезоэлектрических преобразователей и ацетон в качестве рабочей текучей среды (C₃H₆O). Пространство над верхним рефлектором, внутри верхнего и нижнего рефлекторов и снаружи камеры при моделировании имеет характеристики воздуха.

[0069] В соответствии с данным методом в текучей среде детектора определяют два пространственных чувствительных объема (см. Фиг.3). Цилиндр (r=1.25 см и h=4 см), определяющий чувствительный объем, делится на две половины; одна половина направлена к источнику (V1), а другая половина направлена в противоположную сторону (V2). Два полуцилиндра образуют объемы, детектирующие нейтроны. При моделировании используется спектр энергии нейтронов открытого PuBe источника, и все сечения анализируются при температуре 300 К. Все оценки рассчитываются с относительной погрешностью в пределах 1%.

[0070] Результаты моделирования с помощью программы MCNP5 демонстрируют на 23% большую интенсивность потока нейтронов в V1 по сравнению с V2. При сравнении пространственных углов, образованных двумя чувствительными объемами и PuBe источником, сами по себе пространственные эффекты являются причиной увеличения интенсивности потока на -13% через V1, чем через V2. Для сравнения, рассеяние обуславливает большую интенсивность потока быстрых нейтронов через V1 только на 10%. Это показывает, что по мере удаления детектора от источника происходит эффективное уменьшение и, в конечном счете, устранение всех возможных влияний пространственных эффектов, тогда как детектирование в системе АРМТСД остается по-прежнему селективно и указывает на различия в пользу области, ближайшей к источнику.

[0071] Расчеты, основанные на экспоненциальном законе ослабления, позволяют количественно оценить взаимосвязь между воздействием рассеяния на отношение интенсивностей потока нейтронов и размером чувствительного объема. Для сравнения используется вторая текучая среда - фреон-113 (обычно используемый в детекторных системах на основе метастабильной протянутой текучей среды). Плутониево-бериллиевый источник испускает нейтроны, имеющие среднюю энергию около 4 МэВ, средняя длина свободного пробега которых, , составляет около 5 см в ацетоне и около 10 см во фреоне-113. Эти результаты представлены на Фиг.4. Влияние рассеяния на отношение интенсивностей нейтронного потока возрастает пропорционально увеличению размеров чувствительного объема. Способность увеличить количество доступной информации о направлении наблюдается в случае, когда источник расположен достаточно далеко и воздействие пространственных углов на величину интенсивности потока нейтронов мало. Влияние рассеяния также зависит от химического состава рабочей текучей среды детектора. Как представлено на Фиг.4, для ацетона влияние рассеяния больше, чем для фреона-113. Это в основном объясняется большим содержанием водорода (и, следовательно, меньшей ) МэВ нейтронов в ацетоне. Различные рабочие текучие среды детектора, имеющие большее содержание водорода, могут применяться для увеличения влияния рассеяния на отношение интенсивностей потока нейтронов, что, в свою очередь, может привести к повышению разрешения при определении направленности на большой дистанции. Поэтому в настоящем изобретении предполагается использовать такие текучие среды, как, например, ацетон, фреон, бензол, изопентан, триметилборат, вода и им подобные.

Автоматизация

[0072] Для расшифровки информации о направленности требуется сбор сотен тысяч сигналов детектирования и быстрый последующий анализ с получением результата, имеющего достаточно высокую достоверность (например, >75%), в течение нескольких секунд или минут. В реальных системах крайне желательна автоматизация такого процесса. Резкое сжатие охлопывающегося пузырька пара, образованного взаимодействием с ядерной частицей, создает акустический щелчок, слышимый на расстоянии около 1 метра от камеры. Акустические щелчки, издаваемые охлопывающимися полостями пара, могут быть зарегистрированы при помощи четырех миниатюрных пьезоэлектрических преобразователей, чувствительных к мегагерцевым сигналам, которые прикреплены снаружи резонансной камеры. Для записи событий детектирования и получения информации о направлении на источник радиоактивного излучения разработано соответствующее аппаратное и программное обеспечение с использованием виртуального прибора комплекса Lab VIEW .

[0073] Для устранения преобладающей в спектре сигнала рабочей частоты сигналы от пьезоэлектрических преобразователей пропускаются через фильтр нижних частот Баттерворта третьего порядка, который выделяет высокочастотную составляющую. После фильтрации сигнал поступает на вход цифрового запоминающего осциллографа Agilent с полосой пропускания 100 МГц. Осциллограммы реальных сигналов, полученных в ходе экспериментов, представлены на Фиг.4 и Фиг.5. Импульсы на осциллограммах являются результатами зарегистрированных событий детектирования нейтронов, приводящих к схлопыванию полостей пара и излучению сигналов ударных волн, регистрируемых ЦТС преобразователями.

[0074] Для сбора и анализа экспериментальных данных, а также для управления работой системы АРМТСД при помощи графического интерфейса, создан виртуальный прибор на базе комплекта Lab VIEW . Экспериментальные данные поступают в виртуальный прибор Lab VIEW через интерфейс GPIB, соединяющий его с осциллографом. В одном варианте при поступлении данных от осциллографа виртуальный прибор использует две статистические методики для подтверждения того, что поступивший электрический сигнал действительно является событием детектирования нейтрона. При подтверждении события детектирования нейтрона используются две характеристики осциллограмм ударных волн. Как представлено на Фиг.6, осциллограммы ударных волн от событий детектирования нейтрона имеют вид высокочастотных (свыше 250 кГц) синусоидальных импульсов. Еще одной характеристикой осциллограмм ударных волн является их симметричность. Для определения соответствия электрического сигнала событию детектирования нейтрона рассчитывается показатель симметрии осциллограмм ударных волн, известный как коэффициент асимметрии. Такая методика использует случайный характер помех (электрических и механических) и помогает устранять ошибочные срабатывания. Вторая применяемая методика использует показатель подобия двух осциллограмм ударных волн. В случае истинного события детектирования нейтрона записанные осциллограммы ударной волны, полученные от каждого преобразователя, должны быть одинаковой формы. Для подтверждения совпадения двух отдельных осциллограмм ударной волны вычисляется взаимно корреляционная функция двух осциллограмм ударной волны. Взаимно корреляционный способ также дает возможность рассчитать разность времени между моментами прихода сигналов для двух осциллограмм ударной волны. На Фиг.6 графически представлена разность времени между моментами прихода сигналов ( ). Разности времени между моментами прихода сигналов впоследствии анализируются с помощью метода гиперболического позиционирования для вычисления положения события детектирования нейтрона в резонансной камере. Впоследствии виртуальный прибор Lab VIEW использует положение событий детектирования нейтрона для определения направления на источник нейтронов и вывода графической информации на дисплей. Комплексный процесс детектирования, разработанный для системы АРМТСД, выполняется практически в режиме реального времени в течение миллисекунд от события детектирования нейтрона до определения направления на источник нейтронов.

Эксперимент по определению направленности и его результаты

[0075] Для экспериментальной установки предпочтительно использовать кварцевую камеру АРМТСД с наружным диаметром 6.9 см, хотя были успешно опробованы камеры сферической и конусообразной формы, изготовленные из стекла марки Pyrex, что описано в моделях MCNP и COMSOL . В качестве рабочей жидкости в камере использовался чистый ацетон при температуре 25°С и давлении 508 мм рт.ст. К камере подключался генератор сигналов (Agilent, модель 33120А) и линейный усилитель (Piezo Systems, Inc. модель ЕРА-104). Частота резонанса и напряжение возбуждения составляли 18,3 кГц и 96 В соответственно. Сбор экспериментальных данных происходил с помощью осциллографа, записывающего осциллограммы ударных волн. Для управления работой осциллографа, сбора данных, выполнения обработки и анализа сигнала использовалась программа Lab VIEW . Обмен информацией с осциллографом осуществлялся через интерфейс GPIB. Четыре пьезоэлектрических преобразователя располагались под прямым углом друг к другу в одной горизонтальной плоскости (XY), за исключением четвертого преобразователя, располагавшегося несколько выше по оси Z, для получения возможности определения положения в пространстве. Экспериментальная установка представлена на Фиг.7.

[0076] Эксперимент проводился с использованием 1 Ci PuBe источника нейтронов и гамма-квантов (испускающего около 2×10⁶ н/сек), расположенного на расстоянии -20.3 см и 20.3 см от центра камеры на одной оси с микрофонами 1 и 3. Зарегистрированные разности времени между моментами прихода сигналов использовались для расчета положений событий образования пузырьков и представлены на Фиг.8. Вследствие высокой надежности системы незначительный разброс размеров при изготовлении камеры приводит к малому отклонению центра чувствительного объема от геометрического центра камеры, что должно учитываться при расчетах. Для уточнения центра чувствительного объема используется определение усредненного положения события образования пузырька. Соответствующая коррекция вносится при вычислении положений. Диаграммы сначала разделены на две половины, соответствующие полусферическим объемам равного размера. Объем, ближайший к радиоактивному источнику, V1, содержит 55,2% (±2,5%) событий детектирования, и только 44.8% (±2,2%) событий детектирования происходит в объеме V2. В результате отношение количества событий детектирования нейтронов составляет 1.23 (±0,07). Как показывалось ранее, отношение, получаемое при моделировании в программе MCNP, составляет 1,23.

[0077] Для определения способности детектора точнее определять угловое расположение источника радиоактивного излучения производится последующий анализ положений событий детектирования нейтронов. Чувствительный объем разделяется на 6 отдельных 60° угловых секторов. Для каждого сектора вычисляется общее число событий детектирования нейтронов и сравнивается с числом событий детектирования нейтронов в противоположном секторе. Аналогично, цилиндрическая сетка для учета интенсивности потока нейтронов была добавлена к модели MCNP. При сравнении противоположных секторов выясняется, что в секторе, ближайшем к источнику радиоактивного излучения, наблюдается 57,8% (±4,5%) событий детектирования нейтрона, и только 42,2% (±3,7%) событий детектирования нейтрона наблюдается в противоположном секторе. Полученное в результате отношение событий детектирования нейтрона составляет 1,37 (±0,13), что опять же соответствует результату, получаемому при моделировании (1,38). Следует отметить, что результаты эксперимента соответствуют оценкам, полученным в результате теоретического моделирования в пределах одного среднеквадратического отклонения.

[0078] Соответствующее исследование было проведено для изучения способности системы АРМТСД определять расположение источника, расположенного в неизвестном направлении. Для правильного определения точного положения источника радиоактивного излучения для всех секторов были рассчитаны соответствующие отношения противоположных секторов и в виде графика представлены на Фиг.9. Очевидно, что сектор, указывающий положения источника, имеет максимальное отношение противоположных секторов. Логически рассуждая, следующее по величине отношение противоположных секторов должно соответствовать сектору, примыкающему к сектору, указывающему на источник излучения. Для примыкающего сектора отношение противоположных секторов составляет 1,16 (±0,11). Моделирование в программе MCNP предсказывает величину данного отношения 1,18, в пределах одного среднеквадратического отклонения от экспериментального результата. Анализ результатов показывает, что система АРМТСД способна определять расположение источника радиоактивного излучения с точностью в пределах 30° с точностью до 80%.

[0079] Исходя из предположения о том, что увеличение амплитуды давления жидкости повышает вероятность появления события образования пузырька, вызванного взаимодействием с нейтроном, была составлена диаграмма распределения давления внутри камеры по плотности распределения и профилю точек образования пузырьков, вызванных взаимодействием с нейтроном. Эксперимент проводился с PuBe источником, находящимся на расстоянии -20,3 см и 20,3 см от центра камеры на оси с микрофонами 1 и 3 для устранения влияния свойства направленности детектора на конечный результат. Положение точек событий детектирования наносилось на диаграмму в плоскости RZ и накладывалось на распределение давления в чувствительном объеме, полученное при моделировании в программе COMSOL . Результаты эксперимента представлены на Фиг.10. Анализ результатов показывает, что события детектирования, вызванные нейтронами, в основном происходят при давлении, меньшем -4 бар, что коррелирует с ранее измеренным порогом -3,5 бар. Также очевидно, что практически все события детектирования нейтрона происходят в радиусе 1,25 см от центральной оси системы АРМТСД. Поэтому для моделирования в программе MCNP используется значение 1,25 см.

[0080] Настоящее изобретение демонстрирует определение направленности, а также показывает возможность создания системы АРМТСД, нечувствительной к гамма-излучению, и при замене рабочей жидкости детектора на фреон-113 и триметилборат система АРМТСД также может быть одновременно использована для детектирования нейтронов с энергиями, простирающимися до величины порядка 10 ⁸, причем с характеристической эффективностью почти 90%. Такое возможно благодаря (n,p)-реакциям с атомами хлора во фреоне и (n,alpha)-реакциям с атомами бора в триметилборате.

[0081] Ниже следует описание способа определения направления падающего излучения в режиме реального времени. Экспериментальные доказательства, представленные здесь, показывают, что точки, в которых происходят события детектирования нейтрона, располагаются преимущественно в ближайшей к источнику части детектора с отношением 1,23 (±0,07):1, что соответствует результату моделирования, полученному при использовании метода Монте-Карло (1,23:1). Были произведены вычисления, которые показали, что увеличение телесного угла от чувствительного объема, ближайшего к источнику, до чувствительного объема, наиболее удаленного от источника, является причиной уменьшения интенсивности потока нейтронов на 13%. Рассеяние нейтронов в ацетоне является причиной уменьшения на 10%. При использовании технологии АРМТСД может быть получена информация о направлении даже в том случае, когда источник находится на большом расстоянии и влияние телесного угла на величину интенсивности потока нейтронов пренебрежимо мало. Аналогичные вычисления доказывают, что уменьшение интенсивности потока нейтронов вследствие рассеяния возрастает при увеличении чувствительного объема, тем самым предлагая метод для повышения точности и достоверности определения направления на источник на больших расстояниях. Моделирование физических связей в программе COMSOL использует экспериментальные данные о детектировании нейтронов и показывает возможность увеличения чувствительного объема детектора при увеличении подводимой мощности, таким образом приводя к повышению точности и достоверности определения направления на источник и повышению эффективности детектирования.

[0082] Последующий анализ расположения событий детектирования нейтрона позволяет усовершенствовать способы определения направленности при помощи отношения интенсивностей потока нейтронов в противоположных секторах. Полученные результаты показали, что система АРМТСД в своей текущей конфигурации способна определять расположение источника радиоактивного излучения с точностью до 30° и достоверностью свыше 80%.

Вариант Воплощение 2

[0083] В другом варианте воплощения использование метастабильных состояний протянутой текучей среды приводит к прогрессу в детектировании радиоактивного излучения. Такие метастабильные состояния текучей среды могут быть получены при применении в детекторных системах с метастабильной акустически протянутой текучей средой (АРМТСД) специально сконструированной резонансной акустической камеры. Существующие детекторы нейтронов имеют ряд недостатков, например большие размеры, высокую стоимость, необходимость использования разных систем детектирования для нейтронов различных энергий и отсутствие информации о направлении на источник радиоактивного излучения. Детектирование радиоактивного излучения в системах АРМТСД основано на принципе взаимодействия налетающей ядерной частицы с текучей средой, находящейся в динамически напряженном состоянии, в котором межмолекулярные связи значительно ослаблены и фундаментальные частицы с энергией порядка 10⁸ и более могут быть детектированы с характеристической эффективностью, недостижимой для обычных систем детектирования. При нейтрон-ядерном взаимодействии ионизированное ядро отдачи, смещенное из атома мишени, локально высвобождает свою энергию, приводя к образованию зародыша пузырька пара, увеличивающегося от суб-нано до видимого размера, таким образом позволяя регистрировать уровень и временные характеристики падающего радиоактивного излучения. Зародыши образуются преимущественно в направлении падающего радиоактивного излучения. Охлопывающиеся центры парообразования создают ударные волны, которые можно не только непосредственно услышать, но и отследить в электронном виде в различных частях детектора, используя методы анализа разности времени между моментами прихода сигналов (TDOA). В сочетании с гиперболическим позиционированием композиция получаемой пространственно-временной информации впервые показывает не только уровень, но и направленность падающего нейтронного излучения.

[0084] Разработка характеристически эффективных, недорогих и надежных систем АРМТСД может производиться при использовании комбинации экспериментальных методов с теоретическим моделированием. Могут использоваться следующие методики моделирования: программа для моделирования процесса переноса ядерных частиц в материальных системах с использованием методов Монте-Карло MCNP5, а также среда мультифизического моделирования COMSOL для произведения сложных многомерных оценок воздействия электромагнитных взаимодействий на структуру текучей среды. Автоматизированное управление системой АРМТСД осуществляется с помощью программирования управляющих алгоритмов виртуального прибора (ВП) с использованием программного обеспечения Lab VIEW.

[0085] Жидкости, как и твердые тела, могут противостоять растяжению (т.е. могут выдерживать, не разрушаясь, пониженные давления). Жидкость в напряженном состоянии является метастабильной при температуре ниже температуры ее теплового равновесия, в отличие от метастабильной жидкости, находящейся в состоянии теплового перегрева выше точки кипения при нормальных условиях. Растяжение в текучих средах аналогично растяжению (в отличие от сжатия) для твердых тел. Энергия, необходимая для разрыва межмолекулярных связей в твердом теле, по мере растяжения уменьшается. Аналогичным образом, энергия, необходимая для разрыва связей между молекулами жидкости, уменьшается при увеличении метастабильности растяжения; в конечном итоге завершаясь спонтанным запуском взрывного процесса фазового перехода при достижении спинодального предела (предела термодинамической стабильности) растяжения.

[0086] Взрывной процесс фазового перехода может быть запущен в метастабильной жидкости, находящейся ниже предела стабильности. Такой запуск приводит к взрывному парообразованию в быстрообразующихся и расширяющихся паровых полостях. Существует три возможных способа для запуска в метастабильной жидкости взрывного процесса фазового перехода: нагревание лазерным лучом, прямое соударение с ядерной частицей (например, нейтроном) и воздействие акустической энергией. Дальнейшее описание посвящено запуску с помощью прямых нейтрон-ядерных столкновений. Таким образом, взрывной фазовый переход может быть запущен механически или с помощью ядерных частиц или фотонов лазерного луча. Прямые столкновения частиц с высокой энергией, в частности нейтронов, и отдельных ядер молекул жидкости приводят к кратковременному, импульсному выделению энергии, которое на наноуровне приводит к запуску взрывного процесса фазового перехода. Импульсное выделение энергии от отдач при прямых столкновениях происходит в виде тепловой энергии и выделяется на расстоянии порядка нескольких нанометров, приводя к формированию центра парообразования. Уровень выделяющейся энергии зависит от тормозной способности иона отдачи в жидкости. Если уровень выделения тепловой энергии достаточно высок для того, чтобы создать центр парообразования больше критического размера, то зародыш продолжает увеличиваться до макроскопического пузырька пара. Критические радиусы имеют величину порядка нанометров и достигаются в течение наносекунд. Для запуска взрывного процесса фазового перехода могут быть использованы фотоны лазерного источника, хотя отдельные фотоны видимого света имеют относительно малую (около 1 эВ) энергию и меньшую линейную передачу энергии (ЛПЭ) по сравнению с быстрыми (МэВ) нейтронами.

[0087] Например, нейтрон с энергией 4 МэВ, сталкиваясь с атомом углерода в ацетоне, в среднем передает ядру углерода около 0.72 МэВ. При этом плотность энергии в объеме, определяемом критическим радиусом пузырька пара ацетона (30 нм), составляет 36,4 МДж/кг. Для сравнения, удельная теплота парообразования ацетона составляет 0,534 МДж/кг. Одиночный фотон синего лазера (400 нм) с энергией 2.48 эВ имеет плотность энергии около 9.6×10 ⁷ МДж/кг. Для световых фотонов объем определяется длиной волны светового фотона. Таким образом, необходимо взаимодействие примерно с 1,3 10⁹ фотонами синего излучения (УФ) для создания плотности энергии, соответствующей одному прямому столкновению с нейтроном.

[0088] Детектирование ядерных частиц при помощи напряженных метастабильных состояний предполагает использование отрицательного давления соответствующего уровня. В этом заключается отличие от знаменитой пузырьковой камеры, используемой в детекторе перегретых капель, в котором жидкость находится выше точки кипения. В соответствии с воплощениями настоящего изобретения жидкость в системе остается при комнатной температуре. Принцип детектирования для текучих сред в напряженном метастабильном состоянии основан на аналогии с растяжением структуры. Чем больше величина растяжения, тем легче разорвать связи, соединяющие вещество воедино. Аналогичным образом, чем больше величина отрицательного давления приложена к молекулам и атомам рабочей текучей среды, тем легче становится разорвать связи, соединяющие молекулы (т.е. образовать локальные пузырьки, вырастающие от нескольких нанометров до относительно крупных размеров в несколько миллиметров, перед растворением при схлопывании). Чувствительность детектора основана на величине приложенного напряжения и значения пространственного выделения энергии для данной налетающей ядерной частицы, или dE/dx.

Конструкция АРМТСД

[0089] Другой вариант воплощения системы АРМТСД схематически представлен на Фиг.11 и Фиг.12, представляет собой резонансную акустическую систему, состоящую из цилиндрической стеклянной (предпочтительно стекло Pyrex) резонансной камеры, с наружным диаметром приблизительно 60 мм и длиной 150 мм, возбуждаемой концентрически закрепленным кольцевым пьезоэлектрическим преобразователем. Синусоидальный сигнал усиливается линейным усилителем и подается на преобразователь. В верхней и нижней частях камеры размещены рефлекторы, фокусирующие энергию на образование стоячей волны давления. В данном воплощении четыре дисковых пьезоэлектрических преобразователя (внешний диаметр приблизительно 7 мм) прикреплены к наружной стенке цилиндрической части камеры и используются для регистрации спектров ударных волн, которые создаются вызываемыми радиоактивным излучением кавитациями, происходящими в чувствительном объеме детектора.

[0090] Чувствительный объем системы АРМТСД определяется как область, в которой величина давления растяжения (отрицательного) не превышает определенного порогового значения, при котором может сформироваться зародыш парообразования критического размера, используя энергию, выделяющуюся при столкновении налетающих ядерных частиц с молекулами, находящимися в метастабильном состоянии.

Моделирование

[0091] Для описания системы АРМТСД используются два инструмента моделирования: COMSOL Multphysics (называемая далее COMSOL ) - мультифизическая программа, основанная на методе конечных элементов, и MCNP5 - программа для моделирования процесса переноса ядерных частиц. COMSOL позволяет объединить акустическую, жидкостную и структурную модели резонансной акустической системы. MCNP5 может использоваться для оценки комбинированных пространственных и энергозависимых физических аспектов, влияющих на поток нейтронов и энергетический спектр в чувствительном объеме системы АРМТСД.

Моделирование методом конечных элементов

[0092] Для проведения анализа в частотной области разработана числовая модель, которая использует среду моделирования COMSOL , основанную на методах конечных элементов, и полученные экспериментальные данные сравниваются с результатами моделирования. Данная мультифизическая модель использует модуль структурной механики среды COMSOL, производящий анализ напряжений и пьезоэлектрических эффектов, а также модуль переноса акустических волн совместно с моделированием электромагнитного взаимодействия.

[0093] Предполагается, что система осесимметрична. В качестве жидкости детектора в данном воплощении настоящего изобретения применяется чистый ацетон при температуре 25°С. Некоторые свойства ацетона приведены в Таблице 1.

Таблица 1
Свойства ацетона при 25°С
Плотность (кг/м3)	0.786×10 3
Вязкость (Па*с)	0.308×10 3
Скорость звука (м/с)	1174
Объемная вязкость (Па*с)	около 1.5×10 3

[0094] Аналогичная модель, использующая в качестве рабочей жидкости этиленгликоль, сравнивалась с экспериментальными данными по распределению давления и частотной характеристике. В настоящем воплощении физические параметры и граничные условия проверяемой модели остаются неизменными; изменяются лишь свойства жидкости и конфигурация системы и вводится структурное демпфирование текучей среды.

[0095] Вследствие значительного отличия в размерах между устройством и жидкостью максимальный относительный размер сетки конечных элементов для жидких и твердотельных регионов модели составляет 0,003 и 0,017 соответственно. В общую структуру сетки входят 5237 элементов. Сходимость метода конечных элементов была проверена с использованием более мелкой сетки (20948 элементов).

[0096] Для визуализации зависимости и сопутствующих изменений между мощностью, подводимой к системе, и чувствительным объемом камеры распределение колебательного давления на резонансной частоте 18,85 кГц представлено на Фиг.11.

[0097] Как представлено на Фиг.11, при изменении подаваемого напряжения изменяется чувствительный объем системы АРМТСД. Также возможны разнообразные другие настройки (например, использование высших мод или наложение). Такая методика моделирования может быть использована для разработки и конструирования системы АРМТСД с желаемыми уровнями чувствительности детектора и с возможностью получения информации о направленности.

Моделирование методом Монте-Карло

[0098] Моделирование системы производится с помощью программы для оценки переноса ядерных частиц MCNP5 и представлено на Фиг.12. Система состоит из резонансной камеры АРМТСД и PuBe источника нейтронов (испускающего порядка 2×10⁶ н/сек). Моделирование производится для осесимметричной камеры. Материалом всех элементов конструкции, в том числе рефлекторов, является кварцевое стекло, материалом пьезоэлектрических преобразователей является цирконат-титанат свинца (ЦТС), и рабочей текучей средой детектора служит ацетон (C3H₆О). Пространство над верхним рефлектором, внутри верхнего и нижнего рефлекторов и снаружи камеры при моделировании имеет характеристики воздуха.

[0099] В текучей среде детектора определяют два пространственных чувствительных объема (см. Фиг.12). Цилиндр (r=1.5 см и h=4 см), определяющий чувствительный объем, делится на половины; одна половина направлена к источнику (V1), а другая половина направлена в противоположную сторону (V2). Два полуцилиндра образуют объемы, детектирующие нейтроны.

[00100] Используется спектр энергии нейтронов открытого PuBe источника, и все сечения оцениваются при 300 К. Источник находится на расстоянии 35,5 см от центральной оси камеры в соответствии с экспериментальной конфигурацией.

[00101] Результаты моделирования в программе MCNP5 демонстрируют увеличенную на 25% вероятность взаимодействий с нейтронами в направлении источника падающего радиоактивного излучения. Данный результат подтверждает оценки, сделанные согласно первому принципу.

[00102] Сравнивая телесные углы, образованные двумя чувствительными объемами и PuBe источником, можно сделать вывод о том, что вследствие пространственных эффектов поток нейтронов через чувствительный объем V1 на 15% выше, чем через V2. Для сравнения, рассеяние обуславливает только на 10% больший поток быстрых нейтронов через V1. Это показывает, что даже при значительном расстоянии от источника, когда зависимость потока нейтронов от величины телесного угла пренебрежимо мала, детектирование в системе АРМТСД (согласно настоящему описанию) является селективным и указывает на различия в пользу области, ближайшей к источнику.

Автоматизация

[00103] Разрушение охлопывающегося пузырька пара, образованного взаимодействием с ядерной частицей, создает акустический щелчок, слышимый на расстоянии около 1 метра от камеры. Акустические щелчки, издаваемые охлопывающимися полостями, могут быть зарегистрированы при помощи пьезоэлектрических преобразователей, прикрепленных снаружи резонансной камеры. Регистрация момента времени, в который ударная волна достигает каждого из преобразователей, позволяет впоследствии рассчитать разность времени между приходом сигналов (TDOA). TDOA к каждому из преобразователей используется в сочетании с методом гиперболического позиционирования для вычисления реального положения кавитационных событий.

[00104] Для устранения преобладающей в спектре сигнала рабочей частоты сигналы от пьезоэлектрических преобразователей пропускаются через фильтр нижних частот Баттерворта третьего порядка для выделения высокочастотной составляющей. После фильтрации сигнал поступает на вход осциллографа Agilent с полосой пропускания 100 МГц, для отображения, хранения и последующей обработки. На Фиг.13 представлена осциллограмма реального сигнала, полученного в ходе эксперимента.

[00105] На Фиг.13 в первом канале представлен не прошедший фильтрацию сигнал от преобразователя. На вход второго канала поступает сигнал после фильтра нижних частот. Всплески сигнала однозначно представляют собой результаты регистрации кавитационных импульсов. Взаимодействие с осциллографом происходит с помощью графического интерфейса пользователя, созданного с использованием программы Lab VIEW . С помощью программы Lab VIEW осциллограф настраивается на заданный пороговый уровень сигнала в канале, по которому происходит запуск. По осциллограмме производятся различные измерения; XatMaxY (время в µs с момента запуска до момента максимальной амплитуды положительной полуволны сигнала), XatMinY (время в µs с момента запуска до момента максимальной амплитуды отрицательной полуволны сигнала), и Maximum (максимальное напряжение, зарегистрированное на осциллограмме). Реальные осциллограммы типичных сигналов представлены на Фиг.14.

[00106] Измерение XatMaxY и XatMinY преследует две цели. Эти измерения позволяют произвести вычисление TDOA и оценку частоты сигнала кавитации, зарегистрированного каждым преобразователем. Измерение максимального напряжения позволяет быть уверенным в том, что амплитуда сигналов кавитации во всех четырех каналах превышает уровень запуска. Значение TDOA, частота и максимальное напряжение каждого сигнала кавитации, зарегистрированные преобразователем, использовались как ограничения при определении принадлежности анализируемого сигнала к сигналам кавитации.

Ограничения для данных

[00107] Ограничение на TDOA накладывается при использовании числового анализа методом гиперболического позиционирования. Компьютерная программа Lab VIEW используется для создания случайной последовательности кавитационных событий внутри камеры. Впоследствии положения кавитаций используются для расчета TDOA, которые зарегистрировал бы каждый преобразователь. TDOA анализируются при помощи метода гиперболического позиционирования. Задание верхнего ограничения для TDOA, используемых в наборе данных, производится для того, чтобы выяснить, какие TDOA соответствуют положениям кавитации, находящимся за пределами смоделированного чувствительного объема камеры, описанного ранее. Результаты представлены в таблице 2. Таким образом, верхнее ограничение на TDOA, составляющее 20 µs, соответствует кавитациям в пределах 2 см от центральной оси камеры, что согласуется с экспериментальными результатами.

Таблица 2
Ограничения для данных, используемые для расчета TDOA
Ограничение TDOA	Максимальный радиус зоны
15 µs	1.57 см
20 µs	1.97 см
40 µs	2.95 см

[00108] Частота колебаний с наибольшей амплитудой в импульсе кавитации определяется с помощью измерений XatMaxY и XatMinY. Как представлено на Фиг.14, измерение XatMaxY и XatMinY должно производиться в точках пиковых значений импульса кавитации с наибольшим размахом. При помощи программного обеспечения Lab VIEW и осциллографа производится экспериментальное определение частотных ограничений. Программа Lab VIEW используется для записи полного аналогового сигнала импульса кавитации. Набор экспериментальных данных о 100 кавитационных событиях, связанных с детектированием нейтрона, может быть записан для анализа. Далее сигнал подвергается быстрому преобразованию Фурье. Экспериментально установлено, что частота колебаний с наибольшей амплитудой в импульсе кавитации составляет около 300 кГц. Для определения принадлежности зарегистрированного сигнала к импульсам кавитации нижнее ограничение частоты устанавливается на уровне 200 кГц. В данном случае приемлем широкий диапазон частот, так как регистрируемые частоты кавитаций зависят от силы кавитации, расстояния до регистрирующего преобразователя, частотной характеристики преобразователя (в зависимости от производственного процесса) и степени затухания в камере (на центрах рассеивания, например паровых или газовых пузырьках).

[00109] Измерение максимального напряжения позволяет ввести ограничение на минимальное напряжение для устранения погрешности, связанной с запуском, которая была обнаружена в первоначальных экспериментах с выполненными вручную вычислениями, и объясняется позже. Ограничение на минимальное напряжение задается с использованием экспериментальных данных. Определяется максимальное напряжение для 450 кавитаций, записанных всеми четырьмя преобразователями с использованием PuBe источника нейтронов. Для устранения систематической погрешности измерения максимального напряжения, возникающей вследствие расположения источника, были собраны четыре набора данных с источником, расположенным на расстоянии +35,5 см и -35,5 см от центра камеры на одной оси Х с преобразователями 1 и 3, и на одной оси Y с преобразователями 2 и 4. Среднее максимальное напряжение зарегистрированных кавитаций представлено в Таблице 3.

Таблица 3
Зарегистрированное среднее максимальное напряжение на выходе микрофона для событий кавитационных ударных волн
	Микрофон 1	Микрофон 2	Микрофон 3	Микрофон 4
Источник 1	716 мВ	692 мВ	703 мВ	667 мВ
Источник 3	697 мВ	702 мВ	716 мВ	661 мВ
Среднее значение	707 мВ	697 мВ	710 мВ	664 мВ

[00110] Среднее максимальное напряжение импульса кавитации используется для задания уровня запуска для каждого из преобразователей. Только кавитации, создающие большее максимальное напряжение, чем уровни запуска для всех четырех преобразователей, регистрируются для анализа. Такой способ позволяет осциллографу осуществлять запуск всех четырех каналов одновременно, таким образом устраняя любую погрешность, связанную с запуском. Первоначальные результаты показывают, что отличие в уровнях запуска не превышает 6%, следовательно, одинаковые уровни запуска могут использоваться для всех преобразователей. Данные ранних экспериментов показывают, что используемые уровни запуска влияют на точность результатов. Для изучения данного эффекта разработана программа Lab VIEW для регистрации количества кавитаций, регистрируемых каждым преобразователем при изменении уровня запуска от 5 мВ до 195 мВ. Результаты представлены на Фиг.15.

[00111] Результаты эксперимента показывают, что при малых уровнях запуска до 100 мВ число запусков нестабильно и стабилизируется при уровне запуска около 200 мВ. Таким образом, в данном воплощении настоящего изобретения за основу принят уровень запуска 200 мВ. Вследствие технологических допусков и использования различных эпоксидных компаундов или других материалов для крепления микрофонов точные уровни запуска могут быть определены в конкретном случае согласно вышеописанной методике.

Эксперимент по определению направленности и его результаты

[00112] В экспериментальной установке используется кварцевая камера АРМТСД диаметром 6.9 см, в соответствии с моделированием, произведенным с помощью программного обеспечения MCNP и COMSOL. В качестве жидкости в камере используется чистый ацетон при температуре 25° и давлении 508 мм рт.ст. Камера функционирует совместно с генератором сигналов и линейным усилителем. Частота резонанса и напряжение возбуждения составляют 18,3 кГц и 100 В соответственно. Сбор данных происходит с помощью осциллографа, записывающего осциллограммы ударных волн. Описанная ранее программа Lab VIEW управляет работой осциллографа и производит сбор данных. Обмен информацией с осциллографом осуществляется через интерфейс GPIB. Четыре пьезоэлектрических преобразователя располагаются под прямым углом друг к другу в одной горизонтальной плоскости (XY), за исключением четвертого преобразователя, располагающегося несколько выше по оси Z для получения возможности определения местонахождения в пространстве. Экспериментальная установка представлена на Фиг.16.

[00113] Первоначальный сбор данных происходит с помощью осциллографа, записывающего импульсы кавитации. TDOA регистрируются вручную по отметкам осциллографа. Далее TDOA анализируются при помощи метода гиперболического позиционирования. Предварительные результаты (представленные на Фиг.17) с PuBe источником, помещенным на расстоянии 13 см от центра камеры, представляют доказательства того, что положение кавитационных событий в камере детектора смещено в направлении источника радиоактивного излучения.

[00114] Также камера может быть разделена на две части равной величины. В части, ближайшей к источнику, происходит 65% (84/124) кавитационных событий, и 32% (40/124) кавитационных событий происходит в части, наиболее удаленной от источника. Результирующее отношение составляет 2,1:1 (2,1). Также обнаружено существование систематической ошибки, связанной с запускающим сигналом. Систематическая ошибка, связанная с запускающим сигналом, происходит потому, что сбор набора данных происходит при запуске только по одному сигналу. Систематическая ошибка, связанная с запускающим сигналом, происходит потому, что кавитации, происходящие ближе к запускающему преобразователю, имеют более высокую амплитуду сигналов ударных волн; следовательно, кавитации, происходящие ближе к запускающему преобразователю, могут вносить систематическую ошибку при подсчете. Однако систематическая ошибка, связанная с запускающим сигналом, устраняется, если для запуска анализа кавитационного события используются все четыре преобразователя. Такой метод регистрации кавитационных событий недостаточно эффективен, т.к. сбор данных вручную позволяет регистрировать приблизительно 2 события в минуту. Поэтому для обработки значительного объема информации была разработана и использована автоматизированная система. Тем не менее, собранные вручную данные служат для подтверждения способности получать информацию о направленности и тестирования.

[00115] Данные, собранные с использованием автоматизированной системы, анализируются при помощи метода гиперболического позиционирования, описанного ранее, а также при помощи программы Lab VIEW, разработанной для учета количества импульсов кавитации, которые каждый преобразователь регистрировал первым. Количество импульсов кавитации, которое два преобразователя регистрировали первыми, представлено в Таблице 4.

Таблица 4
Результаты, зарегистрированные микрофонами 1 и 3 для PuBe источника, помещенного на расстоянии 35.5 см от центральной оси камеры на одной оси с микрофонами
	Микрофон 1	Микрофон 3
Источник у 1	88	65
Источник у 3	71	82

[00116] Камера может быть разделена на две части равной величины. В части, ближайшей к источнику, происходит 56% (170/306) кавитационных событий, и 44% (136/306) кавитационных событий происходит в части, наиболее удаленной от источника. В результате отношение количества событий детектирования нейтронов составляет 5:4 (1,25). Данный результат согласуется с полученными ранее вручную результатами и с теоретическими оценками, полученными при моделировании в программе MCNP (1.24). Различие между результатами, полученными с помощью компьютера и вручную, может объясняться устранением систематической ошибки, связанной с запуском, при задании меньшего ограничения для максимального напряжения кавитаций. Зарегистрированные TDOA также используются для расчета положения кавитаций и представлены на Фиг.18 и 19.

[00117] Диаграммы могут быть разделены на две части равной величины. В части, ближайшей к источнику, происходит 56% (170/306) кавитаций, и 44% (136/306) кавитационных событий происходит в части, наиболее удаленной от источника. В результате отношение числа кавитационных событий составляет 5:4 (1,25). Требуется отметить, что данные, полученные при использовании метода преобразователя, первым получившего сигнал, и метода гиперболического позиционирования коррелируют с почти 100% точностью, и также в пределах 2% согласуются с оценками теоретического моделирования (т.е. MCNP5 и COMSOL).

[00118] Построена диаграмма, содержащая все зарегистрированные кавитационные события, с источником радиоактивного излучения, расположенным на расстоянии -35,5 см и 35,5 см от центра камеры на одной оси Х с микрофонами 1 и 3. Диаграмма распределения кавитационных событий в плоскости XZ показывает, что чувствительный объем камеры аналогичен по форме и размеру результату моделирования в среде COMSOL (Фиг.20). На представленной диаграмме видно, что детектирование нейтронов (кавитационные события) происходит в радиусе 1,5 см от центральной оси камеры АРМТСД, что очень хорошо соответствует результатам моделирования COMSOL. Поэтому для моделирования в программе MCNP используется значение 1,5 см.

[00119] Также произведен анализ радиального (пространственного) распределения кавитационных событий. Кавитационные события распределены в двух равных частях камеры; в половине камеры, ближайшей к источнику, и в половине камеры, наиболее удаленной от источника. Радиальные положения представлены в виде гистограммы, показывающей число кавитаций в противоположных концентрических секторах. Результаты представлены на Фиг.21A и 21B.

[00120] Центральная часть камеры, имеющая наибольшее давление растяжения (отрицательное), исключена из подсчетов, так как характеризуется максимальной интенсивностью кавитаций и максимальной погрешностью метода гиперболического позиционирования. Следовательно, кавитации, происходящие в этой части камеры, дают минимальную информацию о направлении на источник. Подсчет результатов показывает, что 56% (154/274) кавитационных событий происходит в части камеры, ближайшей к источнику, в то время как 44% (120/274) происходит в части камеры, наиболее удаленной от источника, что соответствует отношению 5:4 (1,28). Такой способ анализа данных предоставляет больше возможностей для получения информации о направленности по сравнению с более простым способом преобразователя, первого получившего сигнал.

[00121] Сопутствующие средства для определения направленности падающего радиоактивного излучения можно получить при визуальном обследовании формы пузырьков. Установлено, что радиоактивное излучение от плутониево-бериллиевого источника нейтронов несет энергию от источника радиоактивного излучения к ядрам атомов в направлении источника, и создает наноскопические центры парообразования, вырастающие до макроскопических видимых размеров. В колеблющейся акустически возбужденной области зародыши пузырьков вырастают до макроскопических размеров порядка нескольких миллиметров в ранее описанных системах АРМТСД и принимают форму эллипсоидов и, перед тем как раствориться и исчезнуть, радиально перемещаются в направлении стеклянных стенок, следуя градиенту акустического давления. Это свойство представлено на Фиг.22, где главная ось удлиненного пузырькового кластера (образовавшегося в системе АРМТСД) в результате столкновения нейтрона с ядром одного из атомов молекулы ацетона указывает на источник нейтронов и находится с ним на одной прямой. Изучение кинофрагментов, заснятых скоростной камерой (1000 кадров/сек) и обычной видеокамерой (30 кадров/сек), показывает, что 8 из 10 пузырьковых кластеров указывают в этом преимущественном направлении. Можно ожидать, что некоторые из падающих нейтронов, сталкивающихся с молекулами текучей среды, находящейся в напряженном состоянии, являются отраженными нейтронами, падающими под другими углами, или сталкивающиеся с ядрами атомов мишени под углами скольжения, и, следовательно, можно ожидать возникновения эллиптических пузырьков, двигающихся в направлениях, не совпадающих с истинным направлением на источник радиоактивного излучения. Тем не менее, это открытие дает возможность быстрого (в течение секунд) и надежного определения направленности при помощи прямого визуального наблюдения и контроля неустойчивых пузырьковых кластеров. Такая система имеет чрезвычайно высокую ценность при очень низких уровнях интенсивности радиоактивного излучения, поступающего в детектор (например, от хорошо защищенных ядерных материалов), когда использование основанных на TDOA методик для регистрации направленности в режиме реального времени практически невозможно.

Выводы и заключение

[00122] При использовании обоих способов (преобразователя, первого получившего сигнал, и метода гиперболического позиционирования) установлено, что детектирование нейтрона, как следует из положений кавитационных событий (в системе АРМТСД наружным диаметром 70 мм), преимущественно происходит в части детектора, ближайшей к источнику, с отношением в обоих случаях около 1,25:1. События рассеяния в камерах такого размера играют важную роль в достоверном определения направленности; увеличение размера камеры АРМТСД приводит к более высоким уровням достоверности и меньшим затратам времени. Таким образом, применение метода гиперболического позиционирования, позволяющего определить положение кавитационных событий в пространстве, не увеличивает вносимую погрешность. Возможность определения положения кавитационных событий в трех измерениях означает, что существует возможность получения не только двумерной, но и трехмерной информации о направленности.

[00123] Установлено, что кавитационные события происходят преимущественно в ближайшей к источнику части детектора с отношением 1,25:1, что сопоставимо с результатом мультифизического моделирования (1,24:1). Эти отношения получены при расстоянии между источником и детектором 35,5 см. Вычисления подтверждают, что для данного расстояния увеличение телесного угла от чувствительного объема, ближайшего к источнику, до чувствительного объема, наиболее удаленного от источника, служит причиной уменьшения потока нейтронов на 15%. Это означает, что рассеяние нейтронов в ацетоне (даже для системы АРМТСД внешним диаметром 6 см) является причиной очень существенного (приблизительно 10%) эффекта. Камеры с внешним диаметром большего размера предоставляют больше возможностей для определения направленности. Следовательно, информация о направлении может быть получена даже в том случае, когда источник находится на большом расстоянии и влияние телесного угла на величину интенсивности потока нейтронов пренебрежимо мало.

[00124] Мультифизическое моделирование в среде COMSOL демонстрирует возможность увеличения чувствительного объема детектора при увеличении подводимой мощности, результатом чего является повышение достоверности информации о направленности и сокращение времени вычислений по сравнению с базовой версией.

[00125] Система АРМТСД может быть устойчивой к воздействию гамма-излучения, и при замене рабочей жидкости на хлор- или боросодержащую (фреон-113 или триметилборат) система АРМТСД может одновременно использоваться для детектирования со свойством направленности нейтронов/излучения с уровнями энергии от тепловых до быстрых, при характеристической эффективности систем TMFD приблизительно 100%.

[00126] Радиационные столкновения с ядрами в системах TMFD выделяют энергию в преимущественных направлениях, которые в значительной степени совпадают с направлением на источник излучения, падающего на ядра атомов в молекулах жидкости в системе TMFD. Давление растяжения увеличивает пузырьки от наноскопического размера до нескольких миллиметров, причем пузырьки могут удлиняться и принимать цилиндрическую кометоподобную форму с главной осью, параллельной направлению падающего радиоактивного излучения.

[00127] Настоящее изобретение описано на примерах его осуществления, при этом могут быть включены другие признаки, не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения. Подробное описание приведено выше не с ограничивающей, а исключительно с иллюстративной целью, и понятно, что нижеследующая формула изобретения, включая все эквиваленты, предназначена для определения существа и объема настоящего изобретения.