автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Неразрушающий контроль и обнаружение делящихся и радиоактивных материалов в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровой обработкой экспериментальных данных

На правах рукописи

□□345ЭБ81 Мухамадьяров Ильдар Венирович

Неразрушающий контроль и обнаружение делящихся и радиоактивных материалов в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровой обработкой экспериментальных данных

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва, 2009

2 1 П'Г

О и Г> Ь С^Л

003459681

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский инженерно-физический институт (государственный университет)»

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор, Ромоданов Вадим Леонидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Титаренко Юрий Ефимович (ИТЭФ)

кандидат физико-математических наук, Румянцев Александр Николаевич (РНЦ «Курчатовский институт»)

Ведущая организация:

НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля

Защита состоится "11" февраля 2009 года в 16 час. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д212.130.04 в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409, Москва, Каширское ш., д.31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан "{¿_п ОI 200 И г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации по адресу МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета МИФИ, д.ф.-м.н., профессор

И.И. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость проблемы

В связи с возможными случаями нарушения международной договоренности о нераспространении ядерных материалов и, как следствие этого, возможными актами ядерного терроризма, имеется необходимость в создании устройств обнаружения и контроля радиоактивных и делящихся материалов (ДМ) в ключевых точках их производства, хранения и переработки, а также при транспортировке различных грузов через таможенные пункты государственных границ. Наибольшую опасность при этом представляют 235U и 239Ри, так как они являются основными компонентами ядерного оружия. Кроме этого, возможно создание террористами "грязной" атомной бомбы (например, с распылением различных делящихся нуклидов), в результате взрыва которой могут быть загрязнены обширные территории. Это повлечет за собой громадное количество жертв и потребует огромные средства для реабилитации среды обитания (особенно при взрыве в городских условиях). Поэтому разработка новых физических методов и устройств обнаружения радиоактивных и ДМ и связанных с ними адекватных технологий в значительной мере определяется тем, что во многих случаях ДМ находятся в замкнутых объемах, которые по каким-либо причинам не могут быть вскрыты немедленно. К таким объектам относятся емкости с отходами ядерного производства, тепловыделяющие сборки ядерных реакторов (TBC), автотранспорт и багаж пассажиров в таможенных пунктах пересечения государственных границ. При этом важную роль приобретает также разработка новых методов обработки информации, получаемой от детекторов ядерных частиц, так как совместно с созданием новых физических методов комплекс таких исследований влечет за собой создание установок контроля нового поколения.

Известно, что обнаружение и контроль урана или плутония можно проводить, используя их собственное нейтронное или фотонное излучение. Однако не все нуклиды имеют достаточно высокий выход нейтронов, а их фотонное излучение имеет сравнительно низкую энергию и легко может быть скрыто даже тонкими слоями свинцовых экранов. В случае анализа TBC эффект экранировки излучения наружными слоями ДМ не позволяет с хорошей точностью анализировать состав "толстых", особенно - неоднородных образцов. Вследствие этого, использование внешнего нейтронного источника облучения инспектируемого объекта может практически снять указанные проблемы анализа ДМ, так как проникающая способность нейтронов, особенно быстрых, велика, а их взаимодействие с экранами из тяжелых элементов достаточно мало.

Ввиду вышеизложенного, комплексные исследования новых физических методов неразрушающего контроля ДМ и методов их детектирования являются актуальными, так как позволяют получить новый подход к созданию установок обнаружения,

идентификации и контроля радиоактивных и ДМ, и тем самым препятствуют их незаконному распространению.

Цель работы

Целью работы явилось разработка физического метода обнаружения и контроля ДМ, цифровой технологии обработки сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов в условиях больших загрузок электронных трактов и создание на этой основе инновационных установок обнаружения и неразрушающего контроля ДМ, в которых используются импульсные нейтронные источники в комбинации с различными замедлителями нейтронов. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

1. Разработана цифровая технология обработки сцинтилляционных сигналов в установках обнаружения и контроля ДМ с импульсными нейтронными источниками.

2. Разработан физический метод обнаружения и контроля ДМ в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровым разделением сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов деления в замкнутых объемах без их вскрытия.

3. Разработана модель установки обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками и замедлителями нейтронов, в которых ДМ, скрытый поглощающими зондирующее излучение экранами (свинец, кадмий и т. д.), обнаруживается с помощью тепловых и эпитепловых нейтронов.

4. Разработана методическая база и прототип установки контроля ДМ в аэропортах, морских портах и т. д. на основе цифрового устройства разделения откликов нейтронов и фотонов, работающего с высокой загрузкой сцинтилляционных трактов.

5. Проведены экспериментальные исследования использования цифровой технологии разделения сцинтилляционных откликов нестационарных зависимостей нейтронов и фотонов в установках, служащих целям нераспространения ядерных материалов, в которых определены параметры реальных устройств обнаружения.

6. Создан прототип таможенной установки обнаружения ДМ в аэропортах, морских портах и т.д., работоспособность которого проверена экспериментально.

Научная новизна работы и практическая значимость работы

1. Впервые разработан физический метод обнаружения и контроля состава ДМ в замкнутых объемах, не подлежащих вскрытию, в которых ДМ скрывается экранами, поглощающими нейтронное и фотонное излучения.

2. Разработан метод цифрового разделения нестационарных откликов нейтронов и фотонов в высокоэффективных сцинтилляционных системах, работающих в установках с импульсными нейтронными источниками с максимальными загрузками до 106 частиц в секунду.

3. Проведен анализ возможности использования установок обнаружения и контроля ДМ, который показал область использования программы цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов и ее параметров в зависимости от загрузки сцинтилля-ционных трактов.

4. Проведен анализ использования цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов в установке обнаружения ДМ с различными типами нейтронных генераторов и характеристиками параметров генерации нейтронного потока.

5. Показана степень влияния поглощающих нейтронное и фотонное излучения экранов на эффективность установки обнаружения ДМ, в результате чего определено, что ДМ обнаруживаются даже при их окружении свинцовыми, кадмиевыми или композитными экранами.

6. Дано физическое толкование состава откликов нейтронов и фотонов в установке обнаружения ДМ, и на этой основе предложен метод снижения загрузки сцинтилля-ционных трактов с помощью поглощающих тепловые нейтроны литиевых (^Li) экранов.

Практическая значимость работы определяется разработанными физическим методом обнаружения и контроля ДМ в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровой технологией разделения нестационарных откликов нейтронов и фотонов при загрузках сцинтилляционных трактов до Ю6 частиц в секунду, на основе которых создан прототип реальной установки обнаружения ДМ в аэропортах. Результаты исследований прототипа показали возможность создания серийных, экономичных установок обнаружения и контроля ДМ, сознательно скрываемых в инспектируемых объектах экранами, поглощающими фотоны и тепловые нейтроны, что позволяет пресечь незаконное перемещение и нелегальное распространение ядерных материалов как внутри страны, так и за пределы государственных границ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод обнаружения и контроля ДМ в установках с различными замедлителями нейтронов и импульсными источниками нейтронов, в котором сцин-тилляционные отклики нейтронов и фотонов разделяются с помощью цифровой технологии, что позволяет в одном эксперименте использовать различные энергии нейтронов для обнаружения ДМ, скрываемых экранами, поглощающими нейтроны и фотоны.

2. Результаты исследования цифровых методов разделения откликов нейтронов и фотонов в различных сцинтилляторах (стильбен, LS-13).

3. Разработанный метод тестирования программы цифрового разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов, в результате чего определены области ее применения для различных задач обнаружения ДМ и неразрушающего контроля TBC ядерных реакторов.

4. Результаты экспериментальных исследований, в которых определены параметры прототипа реальной таможенной установки обнаружения ДМ в аэропортах даже в случаях их сокрытия экранами, поглощающими тепловые нейтроны и фотоны (например, кадмиевыми и свинцовыми).

5. Разработанную модель (прототип) установки таможенного контроля ДМ в аэропортах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 168 страницах, содержит 92 рисунка, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 59 наименований.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных сессиях МИФИ 2005 и 2007 годах; IAEA International Conference on Illicit Nuclear Trafficing Collective Experience and the Way Forward, (Scotland, Edinburg, 2007); Annual INMM Meeting (USA, 2006).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, перечень которых приведен в конце автореферата.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и решаемые задачи, указаны научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы обнаружения ДМ в замкнутых объемах, не подлежащих вскрытию, приведен обзор физических методов и установок активного контроля ДМ, указаны их достоинства и недостатки. Предложен физический метод и основанный на нем подход к созданию установок нового поколения для таможенного контроля радиоактивных и ДМ.

Суть предлагаемых установок для таможенного контроля радиоактивных и ДМ состоит в соединении импульсного нейтронного источника с замедлителями нейтронов, в которых после импульса быстрых нейтронов источника можно использовать различные энергии нейтронов для облучения комплекса обнаруживаемых материалов. При этом в установке используются высокоэффективные PSD сцинтилляторы (разделение откликов нейтронов и фотонов по форме их импульсов) и цифровая обработка для разделения откликов, которая может быть реализована при больших загрузках электронных трактов, что недоступно для аналоговых спектрометров. Программная обработка сцинтилляционных сигналов позволяет разделить временные и энергетические зависимости откликов нейтронов и фотонов, существующих в усга-

6

новке, и получать различные информативные параметры присутствия ДМ в инспектируемом объекте. При этом установки, созданные на этом принципе, могут работать, как в пассивном, так и в активном режимах. Наибольшую сложность в этом случае представляет разработка реальных алгоритмов и программ разделения сцинтилляци-онных откликов нейтронов и фотонов в смешанных нестационарных полях излучений с загрузкой до 10б частиц в секунду, которая характерна для установок с импульсными нейтронными источниками. Кроме этого, установки с цифровой технологией обработки результатов проверки присутствия ДМ в багаже пассажиров должны работать в режиме реального времени. Это требование приводит к задаче создания специальных процессоров, которые могут дать результат проверки инспектируемого объекта непосредственно сразу после его облучения (в диссертации создание таких процессоров не предусматривается).

Вторая глава посвящена разработке цифровой технологии разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов в установках обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками. Цифровая технология предполагает запись временной последовательности всех откликов нейтронов и фотонов деления, возникающих в сцинтилляторе от протонов отдачи и комптоновских электронов, в память компьютера с последующим их разделением с помощью специально созданных программ.

Проведенные эксперименты на установке неразрушающего контроля с импульсными нейтронными источниками показали, что традиционные методы разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и гамма квантов не могут быть использованы в полной мере, так как загрузка электронных трактов составляет величину до — 106 частиц в секунду, что превышает допустимые пределы для работы аналоговых спектрометрических блоков.

Альтернативой может быть использование цифровой технологии обработки данных, при которой каждый электрический сцинтилляционный сигнал представляется дискретным образом с временным шагом оцифровки, величина которого определяется частотой дискретизации цифровой платы. Таким образом, в память компьютера можно записать всю временную и амплитудную последовательность откликов нейтронов и фотонов. Затем с помощью специальных созданных алгоритмов и программ возможно получить временные зависимости всех функционалов нейтронов и фотонов, из которых извлекаются практически все возможные информативные параметры присутствия ДМ, в частности, находящиеся в закрытом контейнере. При этом устраняется главный недостаток ранее использовавшихся технологий при работе с импульсными источниками нейтронов, так как решается проблема высоких загрузок сцинтилляционных трактов при разделении откликов нейтронов и фотонов.

Используемый в диссертации комплекс программ разделения откликов нейтронов и фотонов объединен в одну общую компьютерную вычислительную структуру и имеет возможность определять необходимые характеристики смешанных нейтронных . и фотонных полей. Комплекс предназначен для выполнения полного цикла обработки данных, полученных при цифровой регистрации нейтронного и гамма-излучения в установках, использующих разнообразные источники излучений (радиоизотопные источники гамма-квантов или нейтронов, генераторы нейтронов, работающие как в стационарном, так и в импульсном режимах и т.д.).

Пример цифрового разделения откликов приведен на рис. 1. Левый пик соответствуют фотонным, а правый - нейтронным откликам. Из рисунка видно, что существует перекрытие пиков особенно в низкоэнергетической области, возрастающее с увеличением загрузки сцинтиллятора. Так как для обнаружения малых количеств ДМ в установках контроля вывод о присутствии ДМ в исследуемом объекте должен быть сделан на основании единичных актов регистрации нейтронных откликов, то важным требованием к программе было исключение ложных срабатываний установки из-за идентификации фотонных откликов как нейтронных (при активном контроле в установке существует высокий фон фотонного излучения).

100 110 120 100 110 120 100 110 120

Параметр разделения, отн.ед. Параметр разделения, огн. ед. Параметр разделения, ош.ед. Рис. 1. Точечная диаграмма сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов.

Источник - генератор DT нейтронов. Детектор - кристалл стильбена

диаметром 40 мм и высотой 40 мм. Время измерения 1 с.

Особенно сильно эффект перекрытия пиков от распределений фотонных и нейтронных откликов проявляется при использовании сцинтилляционных детекторов большого объема на основе LS-13. Ввиду этого были развиты методики, которые позволяли выделять различные области откликов нейтронов и фотонов или удалять области откликов, в которых информация могла быть недостоверной. В результате этого при 100.000 откликах фотонов 60Со в нейтронном канале возникал только один фоновый импульс при использовании кристалла стильбена диаметром 40 мм и высотой 40 мм.

Результаты исследования коэффициента качества разделения откликов нейтронов и фотонов даны на рис. 2 и 3. Исследования показали, что оптимальным вариантом представляется использование алгоритма и основанной на нем программы, в ко-

8

торых применяется метод площадей с аналитическим представлением формы сцин-тилляционных сигналов. Создание цифровых методов для целей задач контроля ДМ можно считать новым путем в разработках установок неразрушающего контроля ДМ, и поэтому представленные в настоящей работе исследования следует оценивать как шаг в этом направлении.

Области коэффициентов разделения, М

П 1,8-2

□ 1.4-1,6

Порог нейтронов, кэВхЮО

11,2-1.4

□ 1-1,2

10.8-1

Рис. 2. Зависимость коэффициента качества разделения нейтронов и фотонов в стильбене при цифровой обработке от пороговой энергии нейтронов и длительности сцинтилляционного импульса для 252С£

Для увеличения статистической точности получаемых результатов необходимо выбрать, как метод разделения нейтронов и фотонов, так и возможную загрузку сцин-тилляционных трактов, которая в значительной мере ограничивается наложением импульсов откликов нейтронов и фотонов. При этом разделение наложенных импульсов возможно производить программным образом в случае достаточно большого временного промежутка между их максимумами, в то время как в противном случае их разделить практически невозможно, что приводит к необходимости их программного удаления из временной последовательности. Ввиду этого встает задача количественного определения числа разделенных откликов нейтронов и фотонов деления ДМ при различных методах их разделения, энергетических порогах счета импульсов, "гладкости" сцинтилляционных импульсов, длительности интервала их обработки и загрузках электронных трактов. Такая информация показывает возможность цифрового разделения нейтронов и фотонов в различных областях их применения, так как фоновые характеристики в установках обнаружения и контроля ДМ могут значительно отличаться. Под фоновой характеристикой при этом понимается число импульсов в нейтронном канале, когда присутствует и анализируется только фотонное излучение.

Экспоненциальный

-»-Площадей с аналитическим выражением функции

■й— Оптимальной ширины импульса

0,6

-в-- Положения максимума

О

0,5

2

Площадей без аналитического выражения функции

Энергия нейтронов, МэВ

Рис. 3. Зависимость коэффициента качества разделения от пороговой энергии нейтронов для детектора с кристаллом стильбена диаметром 40 мм и высотой 40 мм для различных методов цифровой обработки сцинтшшщионных сигналов при длительности импульса 400 не.

В результате выполнения работы был разработан методический подход к выбору параметров установки обнаружения и контроля ДМ, необходимый для определения ее максимальной чувствительности. Имеется сильная взаимная связь между параметрами работы установок и параметрами обработки данных, которая и определяет область максимальной чувствительности установки. Определение максимальной чувствительности установки следует рассматривать как многофакторную задачу, в которой определяющую роль играет загрузка сцинтилляционного тракта.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой метода неразру-шающего обнаружения и контроля ДМ в установках с цифровой обработкой данных и импульсными нейтронными источниками. Анализ рассмотренных в первой главе диссертации установок обнаружения ДМ в багаже пассажиров показал, что в настоящее время имеется дефицит экономичных и эффективных устройств, которые могли бы выпускаться серийно и работать в условиях таможенных пунктов. Перечень требований к источнику внешнего облучения багажа пассажиров объективно приводит к использованию нейтронного генератора в таможенных терминалах. Однако использование нейтронного генератора, спектр испускаемых нейтронов которого представляет собой моноэнергетическую линию с высокой энергией нейтронов, требует введения конвертеров спектра для того, чтобы можно было облучать багаж нейтронами с различной энергией. Вместо этого можно использовать импульсный источник нейтронов в сочетании с различными замедлителями, и тогда в одной установке возможно получать разные энергии нейтронов в различное время после импульса нейтронов источника. Это выгодно еще и потому, что развитая технология цифровой обработки сцин-

тилляционных откликов нейтронов н фотонов позволяет работать в смешанных полях излучений с высокими и переменными загрузками сцинтилляционных трактов.

Сущность методической основы разработанных установок контроля и обнаружении радиоактивных и ДМ состоит в соединении импульсного нейтронного источника с замедлителями нейтронов, в которых после импульса быстрых нейтронов источника можно использовать различные энергии замедляющихся нейтронов для облучения инспектируемых материалов. При этом в установке используются высокоэффективные и быстродействующие PSD сцинтилляторы и цифровая технология разделения откликов нейтронов и фотонов от различных материалов. Программная обработка сцинтилляционных сигналов позволяет разделить временные и энергетические зависимости откликов нейтронов и фотонов, существующих в установке и получать информативные параметры присутствия радиоактивных и ДМ в багаже пассажиров. Для установок обнаружения ДМ в багаже пассажиров наличие в установке нейтронов разных энергий означает решение задачи обнаружения ДМ, скрытых различными поглощающими излучения экранами, например, свинцовыми или кадмиевыми.

Использование графитового замедлителя дает возможность получения сразу после импульса нейтронного источника энергии замедляющихся нейтронов в области нескольких электрон-вольт, а эволюция спектров нейтронов в графите, показывает, что эпитепловые нейтроны, проходящие через кадмиевые экраны, будут существовать в установке приблизительно 150 мке после импульса нейтронов источника. В проведенных экспериментах было показано, что загрузки сцинтилляционных трактов при этом достигают величины 7-105 частиц в секунду. Следовательно, прототип установки обнаружения ДМ можно представить в виде графитового параллелепипеда с внутренней полостью, размер и конфигурация которой определяется конкретной задачей анализа инспектируемого объекта. В графитовых стенках установки располагаются PSD сцинтилляторы, имеющие выход на цифровые платы разделения нестационарных зависимостей откликов нейтронов и фотонов.

Задачи обнаружения ДМ в багаже пассажиров аэропортов и состава TBC ядерных реакторов, несмотря на их принципиальную схожесть, имеют существенные различия при их практической реализации. Главное различие этих установок состоит в том, что таможенные устройства должны с большой степенью вероятности определять наличие малого количества ДМ за 5-7 секунд практически без активации материалов багажа нейтронами и к тому же при допустимых уровнях радиационной обстановки в аэропортах. Такие жесткие условия требуют выхода нейтронов внешнего источника на уровне 107 нейтр./с. Эта задача является системной, так как объединяет в себе выполнение многих противоречивых требований. Ее решение не может быть проведено с помощью только экспериментальных исследований ввиду огромного объема экспериментов и больших временных затрат на их проведение. Поэтому в ра-

боте были использованы параллельно проводимые расчеты по методу Монте-Карло с помощью программы MCNP-4c2.

Проведенный физический анализ показал, что приближенно нейтронные и фотонные поля по времени и энергии ведут себя следующим образом. Во время импульса быстрых нейтронов источника они попадают практически одновременно во все сцинтилляционные детекторы и графитовый замедлитель. В случае использования сцинтилляционных детекторов, имеющих водород в своем составе, нейтроны источника замедляются в нем до тепловой энергии за ~ 2-4 мкс. При этом константа спада тепловых нейтронов будет соответствовать диффузионным характеристикам сцин-тиллятора и его геометрическим размерам. На водороде сцинтиллятора происходит радиационный захват тепловых нейтронов, в результате чего образуются фотоны с энергией 2,23 МэВ, которые и определяют загрузку сцинтилляционного тракта в виде комптоновских электронов (в случае присутствия бора в стекле загрузка определяется также гамма линией с энергией 480 кэВ). Нейтроны источника, попавшие в графитовый замедлитель и замедляющиеся в нем, будут давать в измерительной камере сначала поток нейтронов эпитепловых, а далее тепловых энергий. Эти нейтроны, попавшие в сцинтиллятор, будуг также давать фотоны радиационного захвата на водороде сцинтилляторов, но с менее крутой константой временного спада, соответствующей времени жизни тепловых нейтронов в графитовом замедлителе с полостью. Анализ экспериментов показывает, что захватными гамма квантами на графите при этом можно пренебречь. Таким образом, временная зависимость фотонов определяется фотонами с энергией 2,23 МэВ и состоит из двух экспоненциально спадающих частей. После их спада в фотонном отклике присутствует еще постоянная составляющая, соответствующая собственному и запаздывающему гамма излучению ДМ.

В случае наличия в измерительной камере 235U или 239Ри их деление будет происходить под действием эпитепловых и тепловых нейтронов. Возникающие нейтроны деления попадают в сцинтиллятор и создают отклик протонов отдачи, который и дает "безальтернативный" информативный параметр их присутствия в багаже пассажиров. В случае сокрытия ДМ свинцовым экраном тепловые нейтроны достаточно просто проходят через него вследствие малого сечения поглощения тепловых нейтронов свинцом.

Более сложным является случай сокрытия ДМ экранами, имеющими большое сечение поглощения тепловых нейтронов, к которым относятся такие, как кадмий, гадолиний, 10В и 6Li. Тем не менее, использование эпитепловых нейтронов, которые присутствуют в установке, позволяет получить отклик ДМ в интервале времени 150 мкс после импульса нейтронов источника. При этом временное поведение нейтронного отклика ДМ, находящегося в экране, будет соответствовать крутой константе временного спада нейтронов деления на эпитепловых нейтронах.

Анализ получаемой в экспериментах информации позволяет сделать вывод о том, что информативными параметрами могут быть следующие функционалы нейтронных и фотонных полей.

1. В активном режиме работы установки - число мгновенных нейтронов деления на эпитепловых и тепловых нейтронах нечетных нуклидов ДМ, а также запаздывающее нейтронное и фотонное излучения всех ДМ. Кроме этого, возможно измерение нейтронных и фотонных спектральных характеристик образцов ДМ и материалов багажа в различное время после импульса нейтронного источника.

2. В пассивном режиме работы установки - собственное фотонное и нейтронное излучения ДМ, например, энергетическая линия 185,7 кэВ для 235U или нейтроны спонтанного распада 240Ри.

Была создана модель установки обнаружения ДМ, которая представляла собой графитовый параллелепипед с внешними размерами 1400x1300x1200 мм с внутренней центральной полостью размером 500x600x1200 мм. Толщина графитовой стенки модели равнялась 400 мм. В центре установки находился стильбеновый сцинтиллятор с диаметром 40 мм и высотой 40 мм. Кроме этого использовался также жидкий сцинтиллятор на основе LS-13, имеющий диаметр 74 мм и высоту 176 мм. Схематическое изображение модели, на которой проводились исследования метода цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов представлено на рис. 4. Урановые образцы различной массы и обогащения помещались на различных расстояниях от стильбенового кристалла или сцинтиллятора на основе LS-13 (производство НИИИТ).

Рис. 4. Схематическое изображение модельной экспериментальной установки по обнаружению ДМ.

В экспериментах были измерены раздельные временные зависимости откликов нейтронов и фотонов деления, а также фотонов, возникающих на всех элементах установки в результате реакции радиационного захвата. При этом результаты экспериментов позволяли получать амплитудные распределения откликов нейтронов и фотонов в различные моменты времени после импульса нейтронов источника. Результаты экспериментов показали, что впервые в установке были получены отклики нейтронов и фотонов в тех случаях, когда урановые образцы окружались кадмиевыми экранами.

Поэтому полученные результаты имели принципиальное значение, так как открывали путь к созданию таможенных установок, в которых можно обнаружить сознательно скрываемые ДМ с помощью экранов, поглощающих фотонное излучение и тепловые нейтроны. Эпитепловые нейтроны проходили через кадмиевые экраны, а также через экраны с большим сечением тепловых нейтронов, хотя их число в отклике было меньше, чем отклик на тепловых нейтронов в отсутствии экранов. Результаты расчета и экспериментов откликов для 165 грамм 235U представлены на рис. 5. Обогащение образцов равнялось 2%.

Экспериментальные результаты, приведенные на рис.5, дают возможность судить о присутствии ДМ в инспектируемом объеме не только по факту его наличия, но также и по форме отклика временной зависимости. Наряду с этим результаты экспериментов позволяют построить амплитудные распределения откликов нейтронов и фотонов (рис. 6). Получение этих данных позволяет восстановить спектры нейтронов и фотонов, что значительно расширяет информативные возможности установки.

Проведенные экспериментальные исследования чувствительности установки показали, что задача оптимизации прототипа реальной установки обнаружения ДМ в багаже пассажиров должна отличаться от оптимизации установок контроля содержания ДМ в TBC ядерных реакторов, несмотря на одну и ту же методическую основу.

I 6

Ф Ч

4 I

5 10.S

р. с о.б в OJ

I 0.4

0

1 0.2

Расчет

■- •>' - уран

- Уран е кадмиевом" экране_

п'здгафппаваоааоа

) 100 200 300

Время после импульса источника, мкс

1000 900 800 700

и

| 600 t S00 ? 400

з

300 200 100 О

Эксперимент |

! \ - ' Т ..............—i

ч/V v

......--.f ss~--Урда........i -....................—i

- Уран g кадмиевом ""экрамГ:............

100

200

Время после импульса источника, мкс

300 \

Рис. 5. Зависимость отклика нейтронов деления 165 граммов и с 2% обогащением от времени после импульса нейтронов^

12000

¿0000 о

§8000 ^

=1

§ 6000 - -

-Безуранаи кадмия (фон) Уран в кадмии

- С кадмием (фон) ;

- Уран без кадмия

70000

60000

СО о 50000

I О 40000

-в"

*

5 30000

5 20000

10000

Без урана и] кадмия Уран в кадмии С кадмием

200 400 600 800 Амплитуда, отн.ед.

1000

200

400 600 800 Амплитуда, отн.ед.

1000

Рие. 6. Амплитудные распределения откликов нейтронов и фотонов за время 800 мкс после импульса нейтронов источника. Слева для нейтронов, справа - для фотонов.

В четвертой главе приведены результаты исследования информативных параметров обнаружения ДМ в модельной установке. Проведенные эксперименты по созданию методической и аппаратурной базы измерения откликов ДМ в графитовом замедлителе нейтронов с импульсными нейтронными источниками показали, что возможно создание реальной установки обнаружения малых количеств урановых и плутониевых образцов в багаже пассажиров далее в тех случаях, когда они сознательно скрываются, поглощающими различные излучения экранами. В первую очередь это относится к свинцовым экранам, поглощающим гамма кванты, и кадмиевым экранам, поглощающим тепловые нейтроны. Поглощение различными материалами эпитепло-вых и быстрых нейтронами не столь велико ввиду небольших сечений их взаимодействия с веществами, и, как следствие этого, их тяжело скрыть какими-либо экранирующими материалами. Поэтому следующим необходимым этапом измерений является постановка комплекса взаимосвязанных экспериментов, в которых определяется набор информативных параметров минимального количества ДМ в исследовательской установке, на основании которого можно принять решении о создании прототипа реальной таможенной установки. При этом исследование откликов предполагает измерение как временных зависимостей нейтронных и фотонных полей, так и их амплитудных распределений, определяющих спектры или спектральные характеристики излучений.

В комплекс экспериментов входят его следующие составляющие. I. Измерения в активном режиме работы установки с импульсными нейтронными источниками с ББ и БТ реакциями получения нейтронов.

1. Измерение "безальтернативного" информативного параметра присутствия ДМ по нейтронному отклику событий деления уранового образца, помещенного в различные, в том числе и композитные, поглощающие излучения экраны.

2. Измерение откликов фотонов различных матричных материалов багажа в различных временных диапазонах после импульса нейтронов источника.

3. Измерение откликов нейтронов и фотонов ДМ при различных параметрах формы сцинтилляционных сигналов.

4. Измерение откликов фотонов малых энергий с целью создания методики их удаления из массива данных для улучшения разделения временных зависимостей нейтронов и фотонов.

5. Измерение запаздывающего излучения образцов из 235и. II. Измерения в пассивном режиме работы установки.

1. Измерение отклика собственного излучения образцов из 235и (с измерением собственного фона установки без ДМ).

Основной целью указанных измерений является получение рекомендаций по созданию реальной таможенной установки, в которую входит многоканальная цифровая сцинтилляционная система, способная за несколько секунд определить присутствие ДМ в багаже пассажиров, даже скрываемых поглощающими излучения экранами. При этом после проведения исследований необходимо определить геометрические размеры Р80-сцинтилляторов, их число и место их расположения в графитовом замедлителе. Время облучения багажа в установке определяется временем контроля одной единицы багажа в широкофюзеляжном самолете и приблизительно предполагается равным 5-7 с.

Результаты экспериментов, представленные на рис. 7, позволяют сделать следующие выводы.

1. Кадмиевые, свинцовые и сложные композитные экраны из этих материалов с добавлением плексигласового экрана не позволяют скрыть присутствие 8 грамм обогащенного урана в нейтронном канале, однако, эффективность обнаружения ДМ при этом уменьшается.

2. В случае отсутствия свинцового экрана в установке могут быть обнаружены малые количества урана или плутония по собственному излучению в пассивном режиме работы установки.

3. Выбор энергетического порога разделения нейтронов и фотонов, а также параметра формы отбора импульсов для программы разделения позволяют оптимизировать параметры установки с целью получения нулевого фона в нейтронном канале.

4. Возможно обнаружение ДМ по амплитудным распределениям откликов в канале фотонов по присутствию в нем собственного и запаздывающего гамма излучения.

5. Возможен механизм перевода формы нейтронных импульсов в фотонные, который связан с многократным наложением отдельных импульсов, что требует дальнейшего совершенствования программы разделения нейтронов и фотонов.

235

Рис. 7. Отклик числа нейтронов деления 8 г ив кадмиевом, композитном

и свинцовом экранах в зависимости от энергетического порога и наличия матричных материалов.

Результаты экспериментов дают возможность прогнозирования создания полномасштабной установки обнаружения ДМ в аэропортах. Если принять время анализа одной единицы багажа 5-7 с, то при размере багажной камеры 550х750х!200 им необходимо иметь выход DD нейтронов нейтронного генератора на уровне 10' нейтр./с при 20 цифровых каналах со стильбеновыми сцинтилляторами (или их жидкосцин-тилляционными аналогами типа NE-213, ВС-501, LS-13), имеющими ориентировочные размеры с диаметром 75 мм и высотой 180 мм.

Пятая глава посвящена разработке и созданию прототипа таможенной установки обнаружения делящихся и радиоактивных материалов в аэропортах. Проведенные исследования использования цифровой технологии при разделении откликов нейтронов и фотонов на стильбеновом сцинтилляторе в установках с импульсными нейтронными источниками показали, что создание реальной таможенной установки с многоканальной сцинтилляционной системой с PSD сцинтилляторами является выполнимой задачей. При этом необходимо решить задачу оптимизации размеров сцин-тилляторов и их числа.

Решение этой задачи связано с обнаружением ДМ определенной массы, которая определялось минимальным значением масс b5U и 2j9Pu, подлежащих государственному контролю и учету. Для указанных нуклидов эта величина составляет 15 г, и поэтому ее значение принималось как минимальное значение ДМ, подлежащее обна-

ружению в свинцовых, кадмиевых и сложных композитных экранах, включающих в себе водородосодержащие замедлители. Минимальное время обнаружения ДМ в багаже пассажиров принималось равным не более 7 секунд, что соразмерно общему времени регистрации в аэропорту на рейс пассажиров широкофюзеляжного самолета. При этом размер багажной камеры был принят равным 550x750x1000 мм, что соответствует размерам стандартной камеры досмотра багажа пассажиров.

Проведение экспериментальных оптимизационных исследований числа и размера сцинтилляционных трактов практически невозможно вследствие больших временных и материальных затрат, и поэтому выбор параметров установки базировался на результатах модельных экспериментов, расчетных данных и разумных затратах па эксплуатационные расходы функционирования установки в аэропортах без привлечения специального квалифицированного обслуживающего персонала.

Для снижения загрузки сцинтилляционных трактов выгодно уменьшать размер и объем отдельного сцинтиллятора, входящего в многоканальную сцинтилляционную систему. Однако при этом возрастает общее число ФЭУ и цифровых плат, что ведет к увеличению стоимости установки и одновременному снижению ее эксплуатационной надежности. Увеличение числа сцинтилляторов и их объема, конечно, увеличивает эффективность установки, но при значительном перекрытии поверхности внутренней графитовой измерительной камеры водородосодержащими сцинтилляторами уменьшается поток эпитепловых нейтронов, падающих на делящийся образец. В случае образцов, покрытых кадмиевыми экранами, при этом произойдет снижение эффективности обнаружения сознательно скрываемых ДМ различными поглощающими излучения экранами, что значительно ухудшает функциональные качества установки.

Эксперименты, проведенные со сцинтилляторами на основе Ь8-13, показали, что в прототипе таможенной установки необходимо использовать высокочастотный нейтронный генератор типа ИНГ-06, в котором отсутствует нейтронный фон между импульсами нейтронов источника при выходе нейтронов на уровне 107нейтр./с. Выбор частоты следования нейтронных импульсов генератора, при которой время между ними равно ~200 мкс, обеспечивает практически полное затухания отклика ДМ, помещенного в кадмиевый экран. При этом можно начинать измерение временной зависимости откликов сразу после окончания нейтронного импульса источника, длящегося 20 мкс. Однако для получения наибольшего отклика ДМ лучше использовать нейтронный генератор с ББ реакцией получения нейтронов и длительностью нейтронного импульса на уровне 1 мкс.

Анализ загрузочных характеристик сцинтилляционных детекторов показал, что для достижения необходимых параметров установки достаточно использования 20 отдельных цифровых каналов, каждый из которых имеет выход на отдельную цифровую плату разделения откликов нейтронов и фотонов. Схематическое изображение

прототипа таможенной установки обнаружения ДМ приводится па рис. 8. Расположение сцинтилляционных детекторов в установке выбиралось из соображения равномерности распределения отклика ДМ по направлениям установки, параллельным ее центральной оси симметрии. Естественно, что получить полностью равномерное распределение отклика нейтронов деления ДМ практически невозможно, однако сцин-тилляторы группировались так, чтобы в центре установки их было меньше, чем на периферии. Такое исходное расположение объяснялось тем, что импульсный нейтронный генератор располагался в центре одной из сторон графитового замедлителя, что обуславливало максимальный поток нейтронов разных энергий, а, следовательно, и отклик нейтронов деления в центре установки.

Измерения проводились для сцинтилляторов без литиевых экранов, а также со сцинтилляторами, имеющими литиевые экраны. Целью этих измерений было получение нейтронных и фотонных откликов от обогащенного до 90% уранового образца с массой 235и равной 15 г. Все измерения проводились по центральной оси симметрии установки, представленной на рис. 8. Время облучения образца в каждой точке составляло 4 с. Были получены отклики в 7 сцинтилляторах, входящих в многоканальную детекторную систему установки, результаты измерения которых, с учетом симметричного строения установки, позволили произвести реконструкцию полных откликов нейтронов и фотонов для 20 сцинтилляторов прототипе. Результаты реконструкции полного нейтронного отклика от 15г 235и за 4 с облучения образца в установке даны на рис. 9. Измерения с образцом 235и массой 15 г показали, что большое внимание следует уделять параметрам программы разделения откликов нейтронов и фотонов, так как неверно выбранные параметры могут повлиять на фон фотонов в нейтронном канале. Информативные параметры наличия ДМ в установке могут быть получены не только в нейтронном, но также и в канале фотонов. При этом установка может работать, как в пассивном, так и в активном режимах.

Анализ откликов фотонов показал, что их структура состоит из трех частей, причем основную роль в двух частях играют фотоны, возникающие в реакции радиационного захвата на водороде сцинтиллятора, а также в захвате тепловых нейтронов бором, находящемся в стекле колбы и ФЭУ сцинтилляционного блока. Ввиду этого следует выбирать такие сцинтилляционные блоки, в стеклах которых практически отсутствует бор.

Рассмотрение импульсного нейтронного источника, который используется в разработанной установке, показывает, что следует использовать ББ реакцию получения нейтронов. При использовании ББ реакции возникают большие преимущества, которые позволяют повысить величину нейтронного отклика, улучшают радиационную обстановку, уменьшают толщину защиты, а в случае разрушения не могут загрязнить помещения, в которых эксплуатировалась установка.

-I-!-i-Г

10 60 90 120

Расстояние от торца установи!, см.

Рис.8. Схема расположения детекторов и их нумерация в прототипе установки таможенного обнаружения и контроля ДМ. Урановый образец помещался в координатах центральной оси симметрии установки, равных 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 и 1100 мм от торца установки. Измерения проводились для следующих сочетаний детекторов:№5 + №2; №3+№7; №13 + + №14 + №17

О 20 40 60 80 100 120 Расстояние от торца установки, см

Рис. 9. Число нейтронов в отклике уранового образца с кадмиевыми и литиевыми экранами, а также без них.

Рассмотрение влияния литиевых экранов, окружающих сцинтиллятор, показало, что загрузка сцинтилляционных трактов уменьшилась на 31% при уменьшении нейтронного отклика на 15%. Следовательно, окружение детекторов литиевыми экранами со всех сторон и увеличение 6Li в экране позволит еще больше уменьшить загрузку детектирующей системы.

Эксперименты, проведенные с кадмиевыми и композитными экранами, включающими в свой состав кадмий и плексиглас показали уменьшение чувствительности

20

установки, значение которой зависит также от размера, обогащения образца ДМ и его положения в багаже пассажиров. Для получения информации о влиянии таких экранов необходимо провести измерения на полномасштабной детектирующей сцинтил-ляционной системе, что в настоящей работе не предусматривалось. Ввиду этого, указать массу ДМ, обнаруживаемого в прототипе таможенной установки и окруженную поглощающими зондирующее излучение экранами, возможно только приближенно. Тем не менее, можно утверждать, что всегда имеется возможность в отдельных случаях увеличить время облучения багажа или несколько поднять выход нейтронов источника. Вероятно, что альтернативой в этом случае может также служить измерение фотонного излучения образцов ДМ пассивным образом.

Результаты измерений откликов нейтронов и фотонов от ДМ в экспериментальном устройстве, представляющем прототип таможенной установки, показали, что возможно создание реальной установки, работающей в условиях таможни аэропорта, со следующими параметрами.

• Время обнаружения ДМ - ~ 2-7 с.

• Количественный предел обнаружения 235U или 239Pu - ~ 2-10 г.

• Обнаружение ДМ, скрытых свинцовыми и кадмиевыми и композитными экранами (кадмий и плексиглас) - на уровне ~ 10-90 г в зависимости от положения ДМ в багаже и ядерно-физических свойств его материалов.

• Обнаружение любых радиоактивных материалов, испускающих гамма кванты.

• Невозможность загрязнения помещения даже при разрушении источника нейтронов.

• Низкий уровень радиации при использовании DD реакции получения нейтронов при выходе нейтронов до 2Т07 нейтр./с.

• Использование высокоэффективных сцинтилляторов и цифровой технологии получения информации.

• Отсутствие хранилища для нейтронного генератора при перерывах в работе и безопасность при его транспортировке.

• Отсутствие специального штата для работы с нейтронным генератором. Ориентировочные размеры установки для обнаружения ДМ в аэропортах:

• багажная камера - 550х750х 1000 мм3;

• установка без защиты - 1350х 1850х 1200 мм3;

• установка с защитой - 1750x2250x1200 мм3.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам, полученным в диссертации, можно сделать следующие выводы.

1. Впервые разработан физический метод обнаружения и контроля ДМ, основанный на детектирований нейтронов деления с помощью PSD сцинтилляторов (разделение откликов нейтронов и фотонов по форме их импульсов на основе цифровой технологии) в установке с графитовым замедлителем нейтронов и импульсным нейтронным источником, в котором ДМ, находящиеся в экранах, поглощающих нейтронное и фотонное излучения (например, свинцовые и кадмиевые), обнаруживаются с помощью нейтронов разных энергий.

2. Проведено экспериментальное обоснование алгоритмов и программ цифрового разделения нейтронов и фотонов в PSD сцинтилляторах с различными параметрами их разделения, в результате чего получены оптимальные коэффициенты качества разделения откликов нейтронов и фотонов для стационарных и нестационарных спектров нейтронов.

3. Создан тест цифровых программ разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов, составляющими частями которого являются тест наложенных импульсов, тест фотонов при различных загрузках электронного тракта и тест нейтронного калифорниевого источника с различными загрузками фотонного канала.

4. Проведены тестовые исследования характеристик разделения откликов нейтронов и фотонов при двух энергетических порогах нейтронов в зависимости от загрузки сцинтилляционного тракта для различных интервалов длительности обработки импульсов откликов и параметра их формы, в результате чего определены области применения цифровой программы для целей обнаружения ДМ в аэропортах и контроля состава ДМ в TBC ядерных реакторов.

5. Определена степень влияния примесей бора в стекле фотоумножителя и колбы сцинтиллятора на характеристики цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов.

6. Проведены экспериментальные исследования и разработаны рекомендации по использованию жидкосцинтилляционных PSD детекторов на основе сцинтиллятора LS-13 в установках таможенного контроля ДМ в аэропортах.

7. Создана модель (прототип) установки таможенного контроля ДМ в багаже пассажиров в аэропортах.

8. Проведены исследования и определены минимальные количества ДМ, скрытых свинцовыми, кадмиевыми и композитными экранами, которые с высокой вероятностью могут быть обнаружены в установке.

9. Экспериментально показано, что установка обнаружения ДМ может работать как в пассивном, так и в активном режимах, и использовать при этом различные информативные параметры обнаружения ДМ.

10. Экспериментально подтверждена возможность создания реальной установки таможенного контроля незаконного провоза ДМ в аэропортах в установке с импульсным источником нейтронов DD-реакции с графитовым замедлителем нейтронов и 20-канальной системой детектирования с PSD сцинтилляторами на основе LS-13 с диаметром 76 мм и высотой 174 мм каждый.

Основные публикации по теме диссертации

1. Romodanov V.L., Afanasiev V.V., Belevitin A.G., Mukhamadyarov I.V. Detection of Fissile Materials Concealed with Radiation Absorbing Shields in Installation with Pulsed Neutron Sources and Digital Signal Processing. - In: In Proc. of 47 Annual INMM Meeting, USA, 2006, p. 126.

2. Romodanov V.L., Afanasiev V.V., Belevitin A.G., Mukhamadyarov I. V., Sakharov V.K., Chernikova D.N. A Fissile Material Detection and Control Facility with Pulsed Neutron Sources and Digital Data Processing - In: Proc. of IAEA Intemat. Conf. on Illicit Nuclear Trafficing Collective Experience and the Way Forward, Scotland, Edinburg, 2007.

3. Мухамадьяров И.В., Ромоданов В.Jl. Методическое обоснование достижения максимальной чувствительности установки обнаружения делящихся материа лов с импульсным нейтронным источником. - В сб.: Докл. научной сессии МИФИ-2007, т. 8, с. 50-52.

4. Ромоданов ВЛ., Белевитин А.Г., Мухамадьяров И.В., Афанасьев В.В. Тестирование программы цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов при различных загрузках сцинтилляционного трактаю. В сб.: Докл. научной сессии МИФИ-2007, т. 5, с. 30-32.

5. Ромоданов В.Л., Белевитин А.Г., Афанасьев В.В., Мухамадьяров И.В. Оценка минимальной детектируемой массы 235U, скрытой поглощающими излучение экранами, в модели установки обнаружения делящихся материалов. - В сб.: Докл. научной сессии МИФИ-2005, т. 8, с. 87-88.

6. Ромоданов В.Л., Белевитин А.Г., Мухамадьяров И.В., Афанасьев В.В. Тестирование программы цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов при различных загрузках сцинтилляционного тракта. - Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, Курск, апрель 2008 г., с. 184-194.

7. Ромоданов В.Л., Белевитин А.Г., Мухамадьяров И.В., Афанасьев В.В. Метод обнаружения и контроля радиоактивных и делящихся материалов в закрытых кон-

23

тейнерах, не подлежащих вскрытию. - Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, Курск, август 2008 г., с. 271-277.

8. Ромоданов B.JI., Сахаров В.К., Мухамадьяров И.В, Белевитин А.Г., Афанасьев В.В. Расчетно-экспериментальные исследования установки обнаружения делящихся материалов в аэропортах. - Атомная энергия, 2008, т. 105, вып. 2, с. 93-97.

Подписано в печать: 11.01.2009

Заказ № 1451 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wvw.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА

Современное состояние проблемы контроля и обнаружения ДМ в замкнутых объемах, не подлежащих вскрытию

1.1. Обзор физических методов и установок активного контроля и обнаружения ДМ.

1.2. Аппаратурное и программное обеспечение экспериментов.

1.3. Выводы.

ГЛАВА

Разработка цифровой технологии разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов в установках обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками

2.1. Постановка задачи.

2.2. Программное обеспечение цифровой обработки сцинтилляционных сигналов.

2.3. Аппаратурное обеспечение цифрового разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов.

2.4. Измерение откликов от источников фотонов и нейтронов различной энергии.

2.5. Представление цифровых откликов в системе координат "энергия-параметр разделения".

2.6. Методы цифрового разделения нейтронов и фотонов.

2.6.1. Метод площадей без аналитического представления формы импульсов.

2.6.2. Метод площадей с аналитическим представлением формы импульсов.

2.6.3. Метод экспонент.

2.6.4. Метод оптимальной ширины сцинтилляционного импульса.

2.6.5. Метод максимума времени нарастания импульсов.

2.6.6. Метод оптимального фильтра.

2.7. Сравнение различных методов цифровой обработки сцинтилляционных сигналов.

2.8. Метод удаления наложенных импульсов из амплитудно-временной последовательности откликов.

2.9. Исследование зависимости коэффициента качества разделения нейтронов и фотонов от загрузки сцинтилляционного тракта для аналоговой и цифровой аппаратуры.

2.10. Тестирование программ цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов.

2.10.1. Тест разделения двойных наложенных сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов.

2.10.2. Тест откликов фотонов с различной загрузкой сцинтилляционного тракта.

2.10.3. Тест сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов калифорниевого нейтронного источника с различной загрузкой фотонного канала.

2.11. Выводы.

ГЛАВА

Разработка метода неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в установках с цифровой обработкой данных и импульсными нейтронными источниками

3.1. Постановка задачи.

3.2. Разработка физического метода неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в замкнутых объемах без их вскрытия.

3.3. Информативные параметры присутствия ДМ в замкнутых объемах.

3.4. Модель установки обнаружения и контроля ДМ в замкнутых объемах.

3.5. Измерения с урановыми образцами.

3.6. Методическое обоснование определения максимальной чувствительности обнаружения ДМ в установке с графитовым замедлителем нейтронов и импульсным источником нейтронов.

3.6.1. Постановка задачи.

3.6.2. Постановка эксперимента и его оборудование.

3.6.3. Результаты экспериментов и их анализ.

3.7. Выводы.

ГЛАВА

Исследование информативных параметров обнаружения ДМ в модельной установке

4.1. Постановка задачи.

4.2. Определение минимального количества 235U, детектируемого в модели экспериментальной установки.

4.3. Программа экспериментальных исследований.

4.4. Градуировка энергетических шкал спектрометра нейтронов и фотонов.

4.5. Информативные параметры присутствия ДМ по форме временных распределений.

4.6. Информативные параметры присутствия ДМ по количеству фотонов в различных временных интервалах после импульса нейтронного источника.

4.7. Измерение временных распределений нейтронов и фотонов от уранового образца малой массы.

4.8. Зависимость числа нейтронов деления 235U в свинцовом экране и без него от параметра формы отбора импульсов при разделении нейтронов и фотонов для различных энергетических порогов.

4.9. Зависимость числа нейтронов деления 235U в композитном экране от параметра формы отбора импульсов при разделении нейтронов и фотонов для различных энергетических порогов.

4.10. Выводы.

ГЛАВА

Разработка и создание прототипа таможенной установки обнаружения делящихся и радиоактивных материалов в аэропортах

5.1. Постановка задачи.

5.2. Выбор параметров сцинтилляционных блоков многоканальной цифровой системы измерения откликов ДМ.

5.3. Оптимизационные исследования сцинтилляционного блока на основе

LS-13.

5.4. Исследование откликов нейтронов и фотонов в зависимости от загрузки для одного и двух ФЭУ в сцинтилляционном блоке.

5.5. Выбор нейтронного генератора для работы в прототипе таможенной установки.

5.6. Измерение откликов нейтронов и фотонов с помощью высокочастотного генератора нейтронов.

5.7. Требования к нейтронному генератору прототипа таможенной установки обнаружения ДМ.

5.8. Исследование обнаружения ДМ в прототипе таможенной установки.

5.9. Увеличение загрузки сцинтилляционных трактов при поглощении тепловых нейтронов бором, находящимся в составе материалов детектирующих блоков.

5.10. Выводы.

В связи с возможными случаями нарушения международной договоренности о нераспространении ядерных материалов и, как следствие этого, возможными актами ядерного терроризма, имеется необходимость в создании устройств обнаружения и контроля радиоактивных и делящихся материалов (ДМ) в ключевых точках их производства, хранения и переработки, а также при транспортировке различных грузов через таможенные пункты государственных границ. Наибольшую опасность при этом представляют 235U и 239Ри, так как они являются основными компонентами ядерного оружия. Кроме этого, возможно создание террористами "грязной" атомной бомбы (например, с распылением различных делящихся нуклидов), в результате взрыва которой могут быть загрязнены обширные территории. Это повлечет за собой громадное количество жертв и потребует огромные средства для реабилитации среды обитания (особенно при взрыве в городских условиях). Поэтому разработка новых физических методов и устройств обнаружения радиоактивных и ДМ и связанных с ними адекватных технологий в значительной мере определяется тем, что во многих случаях ДМ находятся в замкнутых объемах, которые по каким-либо причинам не могут быть вскрыты немедленно. К таким объектам относятся емкости с отходами ядерного производства, тепловыделяющие сборки ядерных реакторов (TBC), автотранспорт и багаж пассажиров в таможенных пунктах пересечения государственных границ. При этом важную роль приобретает также разработка новых методов обработки информации, получаемой от детекторов ядерных частиц, так как совместно с созданием новых физических методов комплекс таких исследований влечет за собой создание установок контроля нового поколения.

Известно, что обнаружение и контроль урана или плутония можно проводить, используя их собственное нейтронное или фотонное излучение. Однако не все нуклиды имеют достаточно высокий выход нейтронов, а их фотонное излучение имеет сравнительно низкую энергию иг легко может быть скрыто даже тонкими слоями свинцовых экранов. В случае анализа TBC эффект экранировки излучения наружными слоями ДМ не позволяет с хорошей точностью анализировать состав "толстых", особенно - неоднородных образцов. Вследствие этого, использование внешнего нейтронного источника облучения инспектируемого объекта может практически снять указанные проблемы анализа ДМ, так как проникающая способность нейтронов, особенно быстрых, велика, а их взаимодействие с экранами из тяжелых элементов достаточно мало.

Ввиду вышеизложенного, комплексные исследования новых физических методов неразрушающего контроля ДМ и методов их детектирования являются актуальными, так как позволяют получить новый подход к созданию установок обнаружения, идентификации и контроля радиоактивных и ДМ, и тем самым препятствуют их незаконному распространению.

Цель работы

Целью работы явилось разработка физического метода обнаружения и контроля ДМ, цифровой технологии обработки сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов в условиях больших загрузок электронных трактов и создание на этой основе инновационных установок обнаружения и неразрушающего контроля ДМ, в которых используются импульсные нейтронные источники в комбинации с различными замедлителями нейтронов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

1. Разработана цифровая технология обработки сцинтилляционных сигналов в установках обнаружения и контроля ДМ с импульсными нейтронными источниками.

2. Разработан физический метод обнаружения и контроля ДМ в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровым разделением сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов деления в замкнутых объемах без их вскрытия.

3. Разработана модель установки обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками и замедлителями нейтронов, в которых ДМ, скрытый поглощающими зондирующее излучение экранами (свинец, кадмий и т. д.), обнаруживается с помощью тепловых и эпитепловых нейтронов.

4. Разработана методическая база и прототип установки контроля ДМ в аэропортах, морских портах и т. д. на основе цифрового устройства разделения откликов нейтронов и фотонов, работающего с высокой загрузкой сцинтилляционных трактов.

5. Проведены экспериментальные исследования использования цифровой технологии разделения сцинтилляционных откликов нестационарных зависимостей нейтронов и фотонов в установках, служащих целям нераспространения ядерных материалов, в которых определены параметры реальных устройств обнаружения.

6. Создан прототип таможенной установки обнаружения ДМ в аэропортах, морских портах и т.д., работоспособность которого проверена экспериментально.

Научная новизна работы и практическая значимость работы

1. Впервые разработан физический метод обнаружения и контроля состава ДМ в замкнутых объемах, не подлежащих вскрытию, в которых ДМ скрывается экранами, поглощающими нейтронное и фотонное излучения.

2. Разработан метод цифрового разделения нестационарных откликов нейтронов! и фотонов в высокоэффективных сцинтилляционных системах, работающих в установках с импульсными нейтронными источниками с максимальными загрузками до 10б частиц в секунду.

3. Проведен анализ возможности использования установок обнаружения и' контроля ДМ, который показал область использования программы цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов и ее параметров в зависимости от загрузки сцинтилляционных трактов.

4. Проведен анализ использования цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов в установке обнаружения ДМ с различными типами нейтронных генераторов и характеристиками параметров генерации нейтронного потока.

5. Показана степень влияния поглощающих нейтронное и фотонное излучения экранов на эффективность установки обнаружения ДМ, в результате чего определено, что ДМ обнаруживаются даже при их окружении свинцовыми, кадмиевыми или композитными экранами.

6. Дано физическое толкование* состава откликов нейтронов и фотонов в установке обнаружения ДМ, и на этой основе предложен метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов с помощью поглощающих тепловые нейтроны литиевых (б1л) экранов.

Практическая значимость работы определяется разработанными физическим методом обнаружения и контроля ДМ в установках с импульсными нейтронными источниками и цифровой технологией разделения нестационарных откликов нейтронов и фотонов при загрузках сцинтилляционных трактов до 10б частиц в секунду, на основе которых создан прототип реальной установки обнаружения ДМ в аэропортах. Результаты исследований прототипа показали возможность создания серийных, экономичных установок обнаружения и контроля ДМ, сознательно скрываемых в инспектируемых объектах экранами, поглощающими фотоны и тепловые нейтроны, что позволяет пресечь незаконное перемещение и нелегальное распространение ядерных материалов как внутри страны, так и за пределы государственных границ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод обнаружения и контроля ДМ в установках с различными замедлителями нейтронов и импульсными источниками нейтронов, в котором сцинтилляционные отклики нейтронов и фотонов разделяются с помощью цифровой технологии, что позволяет в одном эксперименте использовать различные энергии нейтронов для обнаружения ДМ, скрываемых экранами, поглощающими нейтроны и фотоны. *

2. Результаты исследования цифровых методов разделения откликов нейтронов и фотонов в различных сцинтилляторах (стильбен, LS-13).

3. Разработанный метод тестирования программы цифрового разделения сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов, в результате чего определены области ее применения для различных задач обнаружения ДМ и неразрушающего контроля TBC ядерных реакторов.

4. Результаты экспериментальных исследований, в которых определены параметры прототипа реальной таможенной установки обнаружения ДМ в аэропортах даже в случаях их сокрытия экранами, поглощающими тепловые нейтроны и фотоны (например, кадмиевыми и свинцовыми).

5. Разработанную модель (прототип) установки таможенного контроля ДМ в аэропортах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 168 страницах, содержит 92 рисунка, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 59 наименований.

4.10. Выводы

Результаты экспериментов, представленные в этой главе позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Кадмиевые, свинцовые и сложные композитные экраны из этих материалов с добавлением плексигласового экрана не позволяют скрыть присутствие 8 грамм обогащенного урана в нейтронном канале, однако, эффективность обнаружения ДМ при этом уменьшается.

2. В случае отсутствия свинцового экрана в установке могут быть обнаружены малые количества урана или плутония по собственному излучению в пассивном режиме работы установки.

3. Выбор энергетического порога разделения нейтронов и фотонов, а также параметра формы отбора импульсов для программы разделения позволяют оптимизировать параметры установки с целью получения нулевого фона в нейтронном канале.

4. Возможно обнаружение ДМ по амплитудным распределениям откликов, в канале фотонов по присутствию в нем собственного и запаздывающего гамма излучения.

5. Возможен механизм перевода формы нейтронных импульсов в фотонные, который связан с многократным наложением отдельных импульсов, что требует дальнейшего совершенствования программы разделения нейтронов и фотонов.

Результаты экспериментов дают возможность прогнозирования создания полномасштабной установки обнаружения ДМ в аэропортах. Если принять время анализа одной единицы багажа (5-7) секунд, то при размере багажной камеры 550x750x1200 мм необходимо иметь выход ББ нейтронов нейтронного генератора на уровне 107 н/с при 20 цифровых каналах со стильбеновыми сцинтилляторами (или их жидкосцинтилляционными аналогами типа N£-213, ВС-501, Ц3-13), имеющими ориентировочные размеры 075x180 мм.

ГЛАВА5

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА ТАМОЖЕННОЙ

УСТАНОВКИ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕЛЯЩИХСЯ И РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АЭРОПОРТАХ

5.1. Постановка задачи

Проведенные исследования использования цифровой технологии при разделении откликов- нейтронов и фотонов на стильбеновом сцинтилляторе в установках с импульсными нейтронными источниками показали, что создание реальной таможенной установки с многоканальной сцинтилляционной системой с PSD сцинтилляторами является выполнимой задачей. При этом необходимо решить задачу оптимизации размеров сцинтилляторов и их числа. Решение этой задачи связано с обнаружением ДМ'

235 239 определенной массы, которая определялось минимальным значением масс U и Ри, подлежащих государственному контролю и учету. Для указанных нуклидов эта величина составляет 15 грамм, и поэтому ее значение принималось как минимальное значение ДМ, подлежащее обнаружению в свинцовых, кадмиевых и сложных композитных экранах, включающих в себе водородосодержащие замедлители. Минимальное время-обнаружения ДМ в багаже пассажиров принималось равным не более 7 секунд, что соразмерно общему времени регистрации в аэропорту на рейс пассажиров широкофюзеляжного самолета. При этом размер багажной камеры был принят равным 550x750x1000 мм, что соответствует размерам стандартной камеры досмотра багажа пассажиров.

Проведение экспериментальных оптимизационных исследований числа и размера сцинтилляционных трактов практически невозможно вследствие больших временных и материальных затрат, и поэтому выбор параметров установки базировался на результатах модельных экспериментов, расчетных данных и разумных затратах на эксплуатационные расходы функционирования установки в аэропортах без привлечения специального квалифицированного обслуживающего персонала. Это в значительной мере касается также выбора реакции получения нейтронов в импульсном нейтронном генераторе. Несмотря на то, что DT реакция имеет на два порядка больше выход нейтронов, тем не менее, использование DD реакции не следует исключать из рассмотрения, хотя бы потому, что при разрушении источника нейтронов, работающего на ее основе, не может произойти радиоактивного загрязнения помещений аэропортов.

Для снижения загрузки сцинтилляционных трактов выгодно уменьшать размер и объем отдельного сцинтиллятора, входящего в многоканальную сцинтилляционную систему. Однако при этом возрастает общее число ФЭУ и цифровых плат, что ведет к увеличению стоимости установки и одновременному снижению ее эксплуатационной надежности. Увеличение числа сцинтилляторов и их объема, конечно, увеличивает эффективность установки, но при значительном перекрытии поверхности внутренней графитовой измерительной камеры водородосодержащими сцинтилляторами уменьшается поток эпитепловых нейтронов, падающих на делящийся образец. В случае образцов, покрытых кадмиевыми экранами, при этом произойдет снижение эффективности обнаружения сознательно скрываемых ДМ различными поглощающими излучения экранами, что значительно ухудшает функциональные качества установки.

5.2. Выбор параметров сцинтилляционных блоков многоканальной цифровой' системы измерения откликов ДМ.

Выбор типа и геометрических характеристик сцинтилляторов* многоканальной, цифровой- системы измерения откликов ДМ определялся оптимальными характеристиками их функционирования в установке. К числу основных из них относились следующие:

1. Процент перекрытия поверхности сцинтилляторами графитовой поверхности багажной камеры.

2. Тип сцинтиллятора.

3. Оптимизация величины отклика отдельного сцинтилляционного блока.

4. Число сцинтилляционных блоков в измерительной камере.

5. Конфигурация и геометрические размеры сцинтилляционных блоков.

6. Загрузка отдельного сцинтилляционного блока и всей системы в целом.

7. Положение сцинтилляционных блоков в багажной камере для получения наиболее равномерного отклика ДМ в объеме измерительной камеры.

8. Концепция измерения откликов ДМ многоканальной системой.

9. Экономика создания промышленной установки, работающей в аэропортах. Совершенно очевидно, что поставленная задача создания многоканальной сцинтилляционной системы является многофакторной системной задачей, которая требует большого объема оптимизационных исследований; временных и материальных затрат. Ввиду этого, часть параметров была задана априорно, хотя, конечно, такой выбор не может претендовать на абсолютную достоверность. К числу таких параметров относится процент перекрытия поверхности сцинтилляторами графитовой поверхности багажной камеры, который в созданном прототипе установке был принят равным -10%. Считалось, что перекрытие поверхности графитовой стенки большим числом водородосодержащих детекторов не даст увеличения; эффективности обнаружения ДМ в кадмиевых или композитных экранах или даже может привести к ее снижению.-Это основополагающее предположение определило общий размер сцинтилляционной поверхности системы детектирования, а с учетом выхода импульсного источника нейтронов, частоты следования нейтронных импульсов и максимальной загрузки сцинтилляционных трактов; были получены поверхность одного блока и их число. Безусловно, наилучшей формой сцинтилляционных блоков для создаваемого прототипа, является прямоугольная с толщиной, прозрачной для эпитепловых нейтронов. Однако такая форма является недоступной для практической реализации, и поэтому была выбрана цилиндрическая форма сцинтилляторов с размерами 074x176 мм;

Выбор типа сцинтиллятора определялся его возможностью разделения откликов нейтронов и фотонов по форме сцинтилляционных сигналов протонов^ отдачи и комптоновских электронов: Были рассмотрены следующие возможные сцинтилляторы, которые удовлетворяют этому условию: ВС-501, BG-537 (фирма Bicron), стильбен h<LS-13 (фирма Amcrys LTD, Украина). Рассмотрение сцинтиллятора ВС-537 бьшо обосновано: тем, что в нем отсутствует водород, который определяет загрузку сцинтиллятора гамма, квантами с энергией 2,23 МэВ, возникающими в реакции радиационного захвата тепловых нейтронов [46]. По экономическим соображениям, результатам модельных экспериментов и с учетом возможности цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов был выбран жидкий сцинтиллятор типа LS-13, на основе которого и была изготовлена в Научно-исследовательском институте импульсной техники (НИИИТ) многоканальная система детектирования нейтронов деления ДМ, состоящая из 10 сцинтилляционных блоков.

5.3. Оптимизационные исследования сцинтилляционного блока на основе LS-13.

Для многоканальной детектирующей системы (МДС) прототипа установки обнаружения ДМ в НИИИТ были разработаны; и изготовлены два типа детекторов: пусковой детектор на основе ФЭУ-185 (российское производство) и пластмассового сцинтиллятора; ПС-Н20ДП1 и измерительный детектор на основе жидкого сцинтиллятора

Ь8-13 (фирма Аткгув СТО, Украина), имеющего свойства разделения нейтронов и фотонов по форме их импульсов. Пусковой детектор имеет размеры 063x63 мм. Для проверки- функционирования системы блокировки ФЭУ детекторов и проведения фоновых измерений в состав пускового детектора входит встроенный светодиод. В НИИИТ были проведены исследования оптимального режима и основных характеристик детектора. По результатам градуировки детектора максимальная чувствительность к нейтронам с энергией 14,5 МэВ составляет 1,6-10"9 Асм2с/нейтрон при рабочем напряжении питания 2,3 кВ. Путем шунтирования и использования светофильтров, устанавливаемых между сцинтиллятором и фотокатодом, чувствительность детектора может быть снижена более чем на два порядка с сохранением всех остальных характеристик. Временное разрешение детектора на нагрузке 50 Ом не превышает 25 не, а максимальный линейный ток при рабочем напряжении питания 2,3 кВ и длительности воздействующего светового импульса 1 мке составляет не менее 0,4 А. Экспериментально измеренное соотношение чувствительности детектора к нейтронам с энергией 14,5 МэВ к чувствительности детектора к гамма-квантам радиоизотопа б0Со составляет величину 4,5 ± 0,-7.

В детекторе на основе ЬБ-И используется ФЭУ-183 (российское производство). Он имеет увиолевое входное окно и внешние размеры 078x180 мм. Контейнер для жидкого сцинтиллятора выполнен из кварцевого стекла в двух вариантах: в первом варианте сцинтиллятора покрыта экраном литийсодержащего поглотителя толщиной 2,5 мм, а во втором варианте такого покрытия нет. Боковые поверхности всех колб покрыты светоотражающей пленкой типа «майлар». В состав детектора входит блок высоковольтного преобразователя, делитель напряжения питания и система блокировки ФЭУ, а также плата предусилителя с переменной ЯС-цепью интегрирования выходного сигнала и встроенный светодиод.

Были проведены исследования оптимального режима работы детектора для получения наибольшей эффективности детектирования сцинтилляционных сигналов. При этом изменялись параметры ЫС цепочки, которые определяли длительность сцинтилляционного импульса. Результаты исследования представлены на рис. 63, из которых можно видеть, что оптимальная ширина импульса на его полувысоте равна 280 не. Чертеж сцинтилляционного детектора с одним ФЭУ представлен на рис. 64.

50 100 150 200 250 300 350 400

Полуширина отклика, не

Рис.63. Зависимость регистрации числа нейтронов деления ДМ от ширины отклика на полувысоте сцинтилляционного импульса.

5.4. Исследование откликов нейтронов и фотонов в зависимости от загрузки для одного и двух ФЭУ в сцинтилляционном блоке

Выбор размеров сцинтиллятора типа Ь8-13 определил общий размер сцинтилляционного блока, в котором использовался один ФЭУ-183. Проведенные исследования показали, что без существенного изменения его общих габаритов возможно использование двух ФЭУ, расположенных оппозитно на торцевых поверхностях сцинтиллятора. При этом без существенного увеличения общих габаритов блока возможно увеличение отклика нейтронов при одном и том же выходе нейтронов источника. Это обстоятельство особенно важно при измерении отклика ДМ, скрытого кадмиевым экраном. В этих измерениях использовался нейтронный генератора типа ИНГ-07, имевший выход БТ нейтронов на уровне (107-108) нейтр./с при длительности нейтронного импульса 20 мке и частоте их следования до 10.000 Гц. Поэтому были проведены исследования зависимости откликов нейтронов и фотонов при одном и двух ФЭУ в сцинтилляционном блоке от числа нейтронов в импульсе нейтронного генератора, которая и определяет загрузку сцинтилляционного тракта.

1 - стеклянный контейнер с жидким сцинтиллятором ЬБ-Н, 2 - литийсодержащий поглотитель толщиной 2,5 мм, 3 - фотоэлектронный умножитель ФЭУ-183,4 - колодка, 5 - делитель, 6 - предусилитель, 7 - кожух.

А (1.5 : 1)

Розетка СР-50-74ФВ Вилка РС4ТВ

Розетка СР-7Э-155ФВ

Рис. 64 Общий вид сцинтиллятора на основе ЬБ-13 (изготовление и разработка НИИИТ).

При этом измерения проводились в случаях, когда кадмиевый экран отсутствовал на ДМ, и когда он был в наличии. Во всех измерениях использовались 4 цилиндрических урановых блока диаметром 31 мм, высотой 120 мм и обогащением по изотопу и равным 2%. Результаты этих измерений можно видеть на рис. 65 и 66. Отношения фотонных откликов для сцинтилляционного блока с двумя1 ФЭУ к отклику с одним ФЭУ представлены на рис. 67.

Из представленных графиков видно, что во всех случаях имеется сильная перегрузка сцинтилляционных трактов,, и временные зависимости откликов, как нейтронов, так и фотонов, настолько сильно искажены, что приводит к необходимости к снижению числа нейтронов в импульсе нейтронного генератора при общем интегральном выходе нейтронов на уровне 107 нейтр./с.

Тем не менее, некоторые выводы из полученных результатов показывают дальнейший путь развития исследований с целью получения«, оптимальных решений работы прототипа установки. Из представленных результатов видно, что дальнейшее снижение числа нейтронов1 в импульсе, позволяет получать физически обоснованные временные отклики фотонов, что определяет реальную загрузку сцинтилляционных трактов при работе прототипа. Очевидно, что объединение сцинтилляционных трактов-в единую измерительную систему нежелательно, так как даже в случае использования цифровой' технологии обработки данных, критерий' загрузки' все' равно является определяющим условия работы установки. Можно видеть также, что наличие кадмиевых экранов не сильно увеличивает загрузку и имеет примерно одинаковое влияние в различное время после импульса нейтронного генератора. Введение в сцинтилляционный блок второго ФЭУ дает увеличение нейтронного отклика примерно в (1,6-1,7) раза и также увеличивает загрузку. Ввиду этого нет смысла введения второго ФЭУ в сцинтилляционный блок без кардинального решения проблемы загрузки отдельного сцинтилляционного тракта. Введение в прототип установки сцинтилляционного блока с двумя ФЭУ приводит к увеличению габаритов блока, а, следовательно, и к уменьшению их общего числа в установке, что фактически не дает никакого преимущества без уменьшении числа нейтронов-в импульсе нейтронного генератора.

5.5.Выбор нейтронного генератора для работы в прототипе таможенной установки

Эксперименты с импульсным нейтронным генератором типа ИНГ-01 показали, что несмотря на полное отсутствие фоновой составляющей между импульсами нейтронов источника, низкая частота их следования при большом количестве нейтронов в импульсе

Число нейтронов в импульсе х106

-♦- 0,036- без кадмия 0,072- без кадмия -*- 0,170- без кадмия 0,360- без кадмия -*- 1,140- без кадмия -•- 0,036- с кадмием —0,072- с кадмием — 0470- с кадмием ~ 0,360- с кадмием 1,140- с кадмием

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0 200 400 600 800

Время после импульса нейтронов источнике, МКб

Рис. 65 Временная зависимость отклика фотонов для четырёх цилиндрических образцов металлического урана 2% обогащения 235и в К&ДМИй и него для сцинтиллятора ЬБ-13 размером 074x176 мм с одним ФЭУ-Ш при 2000 запусках ИНГ-07 от числа нейтронов в импульсе.

Число нейтронов в импульсе х106

0,036- без кадмия

0,072- без кадмия

0,170- без кадмия

-х- 0,360- без кадмия

1,140- без кадмия

0,036- с кадмием

0,072- с кадмием

0,170- с кадмием

0,360- с кадмием

1,140- с кадмием

4500 ■ 4000 -3500

3000 2500 2000 1500 1000 500 0

-I-1-1-1

0 200 400 600 800

Время после импульса нейтронов источника, МКС

Рис. 66. Временная зависимость отклика фотонов для четырех цилиндрических образцов металлического урана 2% обогащения 235и в кадмии И без него для сцинтиллятора Ь8-13 размером 074x176 мм с двумя ФЭУ-183 при 2000 запусках ИНГ-07 от числа нейтронов в импудьсе.

О 200 400 600 800

1. Измерение откликов нейтронов и фотонов с помощью высокочастотного генератора нейтронов

2. Отношение фотонных Откликов при числе Нейтронов в импульсе х1061,14 ■ 0,360,17• 0,072к отклику с числом нейтронов в импульсе О.ОЗбхЮ6для сцинтиллятора с двумя ФЭУ-1830 200 400 600 800

3. Время после импульса нейтронов источника, мкё

4. Рис. 68. Отношение нейтронных откликов для разных чи§ФД нейтронов в импульсе

5. ИНГ-07 для сцинтиллятора ЬБ-13 размером 074x176 мм для 4 блоков урана без кадмия при 2000 запусках нейтронного генератора.

6. Число нейтронов в импульсе х1060,036 0,072 а 0,17• 0,36

7. Рис. 69. Отношение фотонных откликов для разных чисел нейтронов в импульсе

8. ИНГ-07 сцинтиллятора Ь8-13 размером 074x176 ММ для 4 блоков урана без кадмия при 2000 запусках нейтронного генератор.200 400 600 800

9. Время после импульса нейтронов источника, мксо1. О 100 200 300 400

10. Время после импульса нейтронов источника, мке

11. Рис. 70 Временная зависимость отклика нейтронов для 11 трамм обогащенного до 90 % обогащения по 235и для сцинтиллятора Ь8-13 размером 074x176 мм с двумя ФЭУ-183 при 500 запусках ИНГ-07 от числа нейтронов в импульсе.

12. Число нейтронов в импульсе х10б• 1,14 ■ 0,36 а 0,22• 0,17• 0,0720,036

13. Число нейтронов в импульсе х1061,14 ■ 0,36 а 0,22• 0,03620 40 60 80 100 120 140

14. Время после импульса нейтронов источника, мкс

15. Рис. 71. Временная зависимость отклика нейтронов для четырех цилиндрическихобразцов металлического урана 2% обогащения 215У В кадмии и без него для сцинтиллятора Ь8 -13 размером 074x176 мм при 100 запусках ИНГ-07 от числа нейтронов в импульсе.

16. Время начала обработки временной зависимости, мкс1 ос9( 81 7 6 5 40.221.14

17. Число нейтронов в импульсе х10690.10080.9070.8060.7050.6040.5030.4020.3010.200.10

18. Число отбракованных импульсов, %

19. Время после импульсе нейтронов источника, мкс3000

20. Рис. 73. Временная зависимость отклика нейтронов деления при ширине канала 50 мкс и разных выходах нейтронов источника ОТ нейтронов, частота генератора 100 Гц, генератор ИНГ-06.100003