автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Спектрометр быстрых нейтронов

Г| и и

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИЙ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР "СНИИП"

На правах рукописи УДК 539.107.5

Баранов Виктор Васильевич

СПЕКТРОМЕТР БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

00.11.10. Приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технические ::г.уч С.К.Байкалоа

Автор: / /л^-'

МОС КВА —

1994

Работа выполнена в научно-инженерном центре "СНИИГ Министерства РФ по атомной энергии Официальные оппоненты:

Доктор технических наук С.А.Балдин (НИЦ "СНИИП'

Кандидат технических наук С.Ю.Ноздрачев (НИИПриборо)

Ведущая организация: Научно-исследовательский

конструкторский институт энерготехники.

Защита состоится в конце марта 1994 г. на заседай: Специализированного совета Д034.09-01 в Научно-инженерном цент: "СНИИП" по адресу: 123060, г.Москва, ул. Расплетина, 5. Точная да и время будут сообщены дополнительно.

С диссертацией можно ознакомиться в-библиотеке НИЦ "СНИИП".

Автореферат разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук

И.С.Днепровский

излучения и переносимой им энергии яБляется одним из осноеных направлений развития ядерной энергетики. Не менее важна проблема биологической и экологической безопасности ядерных энергетических установок. В обоих случаях необходимо знание процессов взаимодействия излучения с веществом конструкции и биологической защиты установок и, следовательно, параметров излучения.

Для измерения энергетических спектров излучения требуется соответствующая измерительная аппаратура. особенностью которой является работа в условиях смешанного гамма-нейтронного излучения.

Хорошими метрологическими и эксплуатационными параметрами обладает метод определения энергия нейтрона по ионизации, производимой заряженными продуктами реакции взаимодействия нейтрона с рабочим телом детектора. Заряд ионизации может быть измерен как непосредственно (в ионизационной камере, пропорциональном счетчике или ППД), так и опосредованно (сцинтилляиионный метод). Сочетание газовых пропорциональных счетчиков и органических сцинтиллятороЕ обеспечивает измерение спектров нейтронов в диапазоне энергии 10 кэВ - 20 МэВ и плотностей потока 102-106 нейтрон/см^/с. Однако загрузочная способность спектрометров зачастую не превышает нескольких килогерц, а энергетическое разрешение достаточно далеко от теоретического предела. Кроме того, приборы регистрируют только аппаратурные распределения, требующие математической обработки для восстановления действующих спектров.

За границей популярностью пользуются ионизационные спектрометры нейтронов на основе сэндвича" из полупроводниковых детекторов с заключенным между ними тонким слоем газа 3Не или ВГз.

преимуществом которых является простая Форма спектральной линии, но с чувствительностью на 1-2 порядка меньше пропорционального счетчика тех же размеров и худшим энергетическим разрешением. Разработки сцинтилляционных спектрометров нейтронов на основе детектора ЫЕ-213 обладают высокой загрузочной способностью, но их реализации различаются энергетическим порогом и коэффициентом подавления фона, что говорит о недостаточной изученности вопроса.

Значительный объем регистрируемой и обрабатываемой информации, непосредственно связанный с принципом многоканального анализа, требует пересмотра требований, предъявляемых к устройствам накопления и обработки информации. Особенно ярко это проявляется в связи с появлением экспериментальных термоядерных, установок. Малая длительность импульса излучения, быстрое развитие процесса во времени и сложность пространственной конфигурации источника излучения требуют автоматизированного сбора информации, синхронизованного с основными моментами развития термоядерного процесса [1.6]. Для таких применений предельную загрузку в 3-103 с-1 вряд ли можно считать удовлетворительной.

Основной задачей работы является выявление и устранение причин, ограничивающих характеристики спектрометра нейтронов, с учетом особенностей, присущих именно данному типу приборов. Для решения поставленной проблемы в диссертации решаются следующие задачи: 1) улучшение энергетического разрешения газовых детекторов: 2) повышение временной и температурной стабильности

сцинтилляционных блоков детектирования; 3) повышение точности настройки и загрузочной способности селектора Фоновых импульсов и расширение его Функциональных возможностей: 4 1 создание спектрометра нейтронов с оперативной обработкой данных.

Научно-техническая новизна и практическая_ценность работы:

Разработаны:

1) математическая модель газового пропорционального счетчика со специфическим способом Формирования рабочего объема, позволяющая определить оптимальные геометрические размеры электродов с целью получения наиболее равномерного газового усиления по объему счетчика:

2) несколько типов газовых пропорциональных счетчиков, в том числе малогабаритные 3Не-счетчики с разрешением лучше 4% по тепловому пику;

3) сцинтилляционный блок детектирования, обладающий повышенной температурной и временной стабильностью и пониженным напряжением высоковольтного питания;

4) математическая модель анализатора Формы импульса, используемого в селекторе Фоновых импульсов, учитывающая статистику центров сцинтилляции в детекторе.

5) селектор Фоновых импульсов с новым принципом действия и расширенными Функциональными возможностями;

6) режектор случайных наложений, учитывающий особенности режекиии импульсов в спектрометре нейтронов с селекцией импульсов по Форме;

7) спектрометры нейтронов с лучшим энергетическим разрешением, повышенной загрузочной способностью и оперативным восстановлением действующих спектров нейтронов и гамма-излучения.

Работа выполнялась автором в течение 1986-1992 гг. в рамках НИР: "Исследование путей создания универсального спектрометра нейтронов", "Исследование возможности создания комплекса аппаратуры для измерения характеристик полей нейтронов", а также НИР и ОКР, выполнявшихся в рамках работ по обеспечению диагностики излучений

установок управляемого термоядерного синтеза ("Сириус", "Северка", "Нарын").

Реализация и внедрение результатов исследования проводились в рамках создания спектрометров нейтронов для работы на реакторах и ускорителях.

Основный положения, представденные к защите: Разработаны:

1) Алгоритм расчета Функции отклика газового пропорционального счетчика со специальным Формированием чувствительного объема и малогабаритный счетчик, разработанный с использованием данного алгоритма;

2) Сиинтилляционный блок детектирования, использующий лииь часть каскадов Фотоумножителя, имеющий повышенную стабильность и снихенное напряжение питания ФЭУ;

3) Математическая модель анализатора Формы импульсов, учитывающая статистику Фотонов сцинтилляции и временные параметры электронного тракта;

4) Режектор случайных наложений для сцинтилляционного спектрометра с селекцией импульсов по Форме, уменьшающий искажения спектра, вызванные искажением Формы импульсов при их совпадении;

5) Селектор Формы импульсов органического сцинтилляционного детектора, имеющий повышенную загрузочную способность и низкий энергетический порог;

в) Спектрометры нейтронов на основе микро-ЭЕМ» обеспечивающие автоматическое восстановление действующих спектров из аппаратурных распределений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, получены положительные решения по 4 заявкам на изобретение.

НЕЯ1ЕШШВ

В первой главе показано место ионизационного метода в спектрометрии нейтронов. проЕеден анализ структуры спектрометра и критических узлов прибора.

Среди основных методоЕ спектрометрии нейтронов выделены метод "хода с жесткостью". метод "времени пролета" (МБП) и метод измерения косвенной ионизаций". или ионизационный метод.

В ионизационном методе энергия нейтрона определяется по величине ионизации, произведенной заряженными продуктами ядерной реакции и измеряется непосредственно (в камере, пропорциональном счетчике или ППД) или опосредовано (сцинтилляционный метод).

Одним из главных преимуществ большинства реализаций ионизационного метода является отсутствие специальных требований к источнику излучения. Метод "хода с жесткостью" обладает таким же свойством и проще в реализации, ко не позволяет получить информацию о тонкой структуре спектра нейтронов в той мере, какую дает метод ионизационный. Энергетическое разрешение ионизационного метода уступает только МВП в области энергий ниже нескольких МэВ.

Ионизационный спектрометр нейтронов содержит блок детектирования с предварительным усилителем, усилитель-Формирователь. амплитудный селектор, селектор Фоновых импульсов, линейное пропускающее устройство. и устройство накопления и обработки информации (УН01- Комплект из трех детекторов (Еодородный счетчик протонов отдачи. 3Не-счетчик и органический сиинтиллятор) обеспечивает диапазон измерений 0.01 - 20 МэВ. Возможна реализация ЗНе-детектора в сочетании с ППД.

Главной особенностью нейтронного спектрометра является селектор Фоновых импульсов (СФИ), без которого практически невозможно достоверно измерить спектр нейтронов пропорциональным счетчиком протонов отдачи или органическим сцинтиллятором даже в самых благоприятных условиях. СФИ является центральным в структуре спектрометра и Функционально связывает остальные узлы между собой.

К основным параметрам ионизационного спектрометра нейтронов относятся:

энергетическое разрешение: энергетический диапазон; точность измерения:

диапазон допустимых плотностей потока излучения;

чувствительность к нейтронам:

относительная чувствительность к гамма-Фону;

загрузочная способность

стабильность:

габариты детекторов:

специальные требования к источнику излучения.

Энергетическое_разрешение ионизационного спектрометра

определяется отношением величины полезного сигнала к уровню шума электроники, статистикой сбора заряда ионизации, и неидеальностью реализации принципа действия детектора.

3Не-детектор способен обеспечить значимое превышение уровня шума за счет экзотермической реакции. В водородном счетчике внутреннее усиление заряда обеспечивается газовым усилением, а в сцинтилляционном - умножением электронов в тракте ФЭУ.

При малых и средних энергиях разрешение сцинтилляционого детектора в основном определяет статистика высвечивания

сцинтилляций. В отличие от пропорционального счетчика, в котором при полном сборе заряда процесс не является совокупностью статистически независимых событий, в фотоумножителе, при квантовой эффективности Фотокатода, значительно меньшей единицы, дисперсия величины отклика детектора практически такая же. как для независимых событий.

Неидеальность сцинтилляционных олокое детектирования определяется в основном неравномерностью светосбора в детекторе и неоднородностью Фотокатода ФЭУ. коррекция которых затруднительна.

Неидеальность газовых пропорциональных счетчиков для малых значений КГ/ проявляется в виде индукционного эффекта, а при больших КГУ - в виде зависимости КГУ от места образования первичной ионизации и неравномерности КГУ вдоль анода.

Показано, что ширина аппаратурной линии на половине ее еысоты. обусловленная индукционным эффектом в счетчике с радиусами анода и катода а и Ь и газовым усилением 6, определяется выражением:

ПШПВ=1п(2)/(2 - в•1п(Ь/а)), (1)

и эффект пренебрежимо мал для водородных счетчиков с КГУ е несколько десятков. Для гНе-счвтчиков с КГУ около 1.5-2 вклад индукционного эффекта составляет 3.6% - 2.7%.

Зависимость КГУ от места образования первичной ионизации обусловлена конечным размером области, в которой напряженность электрического поля достаточна для вторичной ионизации. Область, где отклонение КГУ от максимального значения превышает 1%. локализована у анода в пределах радиуса 0.1 - 0.2 мм. и доля его пренебрежимо мала.

Относительное изменение напряженности поля на нити за счет эксцентриситета в 0.5 мм оценивается величиной 6-Ю-5, и для

параметров счетчика СНМ-33 ухудшает разрешение на: 0.6%. В то же время изменение диаметра анода на 1% изменяет КГ/ приблизительно на 10%, поэтому необходим контроль применяемой проволоки.

Таким образом, теоретическое разрешение 3Не-счетчиков определяется в основном индукционным эффектом и составляет 3 -3.5%. Получаемые на практике для счетчиков СНМ-41 и СНМ-61 значения в 4 - 6% предполагают возможность улучшения этого параметра.

Энергетический диапазон для трех типов детекторов составляет:

5-10 кэВ - 0.5 МэВ для газового водородного счетчика;

0.1-5 МэВ для 3Не-счетчика;

1-20 МэВ для сцинтилляционного детектора.

Диапазоны измерения отдельными детекторами значительно перекрываются между собой, что позволяет легко провести "сшивку" спектра во всем диапазоне.

Нижний энергетический предел измерения газовым водородным счетчиком ограничен величиной в несколько кэВ воздействием шумое. малой статистикой образования заряда, возможностями схемы разделения импульсов по Форме и причинами Физического характера: - -"-Существенной нелинейностью образования заряда ионизации от энергии ионизирующей частицы. Диапазон 3Не-счетчика ограничен снизу искажением аппаратурного спектра "тепловым" пиком. Для' ецинтилляционных блоков детектирования нижняя граница определяется прежде всего возможностью схем разделения нейтронов и гамма-квантов по Форме импульса.

Верхняя граница энергетического диапазона определяется Физическими особенностями детекторов (стеночный эффект, снижение чувствительности с ростом энергии. анизотропия рассеяния при высоких энергиях) и способом восстановления действующих спектров.

Динамический диапазон амплитуд для всех типов детекторов не превосходит 1:50, что легко реализуется в предусилителе, рабочий диапазон амплитуд которого лежит в пределах от долей милливольта до вольт. Однако, положение усложняется следующими Факторами:

Во-перЕых, постоянная времени интегрирования

зарядочувствительного предусилителя порядка 100 мкс предполагает наложение последующих импульсов на спад предшествующих. Показано, что средняя величина напряжения на выходе предусилителя при случайном распределении экспоненциально спадающих импульсов с постоянной времени.. Т. амплитуде и0 и загрузке N совпадает с аналогичным выражением для прямоугольных импульсов длительностью Т:

( 2 )

и = иоИГ, 1 '

но дисперсия базового уровня на выходе предусилителя вдвое меньше дисперсии для прямоугольных импульсов:

оси) = ио2-Ы-Т/2 (3)

Для Т=100 мкс и N=2-1С4 с-1 доля двойных, тройных и четверных совпадений составит 18. 7 и 2% от общего числа событий. по сравнению с 27. 18 и 10% для прямоугольных импульсов. Следует иметь 3 - 5-кратный запас амплитуды, для чего требуется снижать среднюю амплитуду сигнала. Микрофонный эффект, присущий детекторам, вызывает дополнительные колебания базового уровня.

Во-вторых, длинные линии связи блоков детектирования с пультом спектрометра подвержены наводкам, уровень которых составляет единицы и десятки милливольт в полосе до десятков мегагерц. При фильтрации усилителем-Формирователем с постоянной времени в несколько микросекунд высокочастотные помехи и помехи с частотой питающей сети (50 - 100 Гц) срезаются до практически незаметной

величины и не влияют на вид амплитудного спектра, иднако селектор импульсов по Форме имеет широкую полосу пропускания, так что Форма импульса с помехой определяется неверно, поэтому нижнюю границу приходится поднимать выше уровня помех, и реальный динамический диапазон редко превышает 50:1.

В-третьих, селекция Фоновых импульсов водородного счетчика протонов отдачи вызывает просчеты в спектре нейтронов в области выше ' нескольких десятков кэВ из-за увеличения длины пробега протонов. Поэтому спектр измеряется в два приема: в диапазоне 10 -100 кэВ с селекцией, и 50 - 400 кэВ без селекции. В каждом из этих случаев динамический диапазон не превышает 10:1.

В четвертых. Функция световыхода стильбена от энергии протона отдачи нелинейна, поэтому даже при диапазоне амплитуд 100:1 реальный энергетический диапазон составляет только 15:1.

Погрешность измерения спектра определяется в первую очередь систематической погрешностью формы отклика спектрометра I около 20%), и погрешностью, связанной с неточностью калибровки энергетической шкалы спектрометра (около 5%).

Вблизи нижней границы энергетического диапазона погрешность измерения спектра растет из-за ошибки, вносимой селектором- Фоновых импульсов и может достигать десятков процентов.

Диапазон допустимых_плотностей потока излучения определяется

чувствительностью детектора к нейтронам и гамма-квантам в совокупности с загрузочной способностью.

Загрузочная способность спектрометра со сцинтилляционным детектором практически полностью определяется загрузочной способностью селектора Фоновых импульсов. При работе с газовыми счетчиками загрузочная способность дополнительно ограничивается требованием значительного времени Формирования при разбросе времен

сбора заряда, и может быть поьышена путем замены ЕС-Формирования спектрометрического сигнала активным интегратором.

Коэффициент подавления Фона определяется в осноеном селектором импульсов по Форме. Дополнительное снижение относительной чувствительности пропорциональных счетчиков к гамма-Фону достигается повышением доли массы рабочего газа в массе счетчика, так как чувствительность к гамма-излучению практически определяется массой элементов конструкции счетчика.

...определяется постоянством коэффициента внутреннего усиления, который определяется стабильностью питания.

Для сцинтилляционных блоков детектирования положение усложняется зависимостью параметров ФЭУ от его среднего тока и окружающей температуры. Световыход детектора также зависит от температуры. Для традиционных блоков детектирования проведение калибровки и измерений возможно только после достаточной выдержки ФЭУ в постоянных температурных условиях и при постоянной загрузке.

Габариты зетектпрпр ионизационного спектрометра могут изменяться в пределах, устанавливаемых необходимостью обеспечения торможения заряженных продуктов реакции, а также их конструкцией. Например, габариты газовых счетчиков с Формированием чувствительного объема "трубками поля" не могут быть снижены из-за сложности ввода трех коаксиальных электродов.

Показано, что критическими узлами ионизационного спектрометра быстрых нейтронов являются блоки детектирования и селектор Фоновых импульсов, усовершенствование которых позволит улучшить параметры спектрометра.

Во второй главе рассматриваются способы улучшения энергетического разрешения газовым пропорциональных счетчиков и возможности изменения их габаритоЕ. Для сцинтилляционного детектора предлагается отличный от традиционного подход к выбору Фотоумножителя по максимальной чувствительности фотокатода и схема включения Фотоумножителя с укороченным трактом умножения, имеющая повышенную стабильность характеристик и пониженное напряжение питания.

Уоовестенстловання газовых ггрппоуциснальных счетчиков

Недостатком Формирования границ чувствительной области при помоши "трубок поля" является большие габариты и значительная масса изоляторов с вваренными в них вводами электродов. Три коаксиальных электрода счетчика ограничивают возможности уменьшения его диаметра. Другой способ Формирования границ чувствительного объема сочетанием сферической Формы катода и специальной Формы держателей анода положен в основу конструкции счетчиков прибора СЭН2-03. Сферическая часть катода разделена на две половины, между которыми вставлен цилиндрический участок, увеличивающий абсолютную величину чувствительного объема счетчика и уменьшающий относительную ошибку, возникающую из-за постепенного спада КГУ у концов счетчика. Важным свойством счетчиков является практическое отсутствие "мертвых объемов", что позволяет их использовать для измерения плотности потоков моноэнергетических нейтронов с.точностью порядка 1%.

По сравнению с СНМ-38 - СНМ-41 счетчики СНМ-58 - СНМ-61 имеют вдвое меньшую массу (50 - 55 г вместо 110 - 120 г) и в полтора раза

меньшую длину (150 мм вместо 200) при сохранении чувствительного объема. Дальнейшее снижение массы ограничено механической прочностью счетчика, достаточной для выдерживания давления газа, и электрической прочности изоляторов. Повышена надежность блоков детектирования из-за устранения внешнего кабеля питания трубки поля, облегчена конструкция соединителя счетчика с предусилителем. в котором вместо резьбового соединения использован цанговый зажим.

Однако Форма отклика этих счетчиков ухудшилась по сравнению со счетчиками с "трубками поля". Измерения с узким пучком тепловых нейтронов показали, что "тепловой пик" счетчика СНМ-61 размывается непостоянством КГ'/ вдоль анода счетчика. С целью изготовления счетчиков с лучшей формой отклика и произвольными размерами разработан алгоритм расчета электрических полей е счетчике с радиусами анода и катода Ra и R.= и специальной Формой торцов. Расчет сводится к решению сеточного уравнения Пуассона с нулевой правой частью и заданными граничными условиями в двумерной цилиндрической системе координат (r,z). Замена радиальной переменной

w = ln(r/Ra)/ln(R0/IU) , ( 4 )

приводит уравнение Пуассона к симметричному относительно переменных w и z виду, с точностью до постоянного множителя:

d2u,, , /т> . d2u _ (5)

Следствием замены переменной является экспоненциальное распределение соответствующих значений радиуса при равномерной сетке по переменной w, поэтому вблизи нити анода сетка оказывается наиболее густой, что важно для точного вычисления КГУ.

С использованием алгоритма разработаны счетчики с внутренним диаметром катода 21 мм, длиной цилиндрической части 65 мм и длиной рабочего объема 82 мм, наполненные смесью гелия-3 и аргона под суммарным давлением 20 ата и с разрешением лучше 4% по "тепловому" пику. Торцевые поверхности катода выполнены коническими, что более технологично по сравнению со сферическими.

Повышение пгябильипптн сиинтилляиионных блоков детектирования

Разработан сцинтилляиионный блок детектирования с укороченным трактом умножения ФЭУ и с зарядочувствительным предусилителем, имеющий повышенную стабильность при сохранении метрологических показателей [2]. Время установления коэффициента умножения <£ЭУ с точностью 0.5% не превышает 3 минут с момента подачи еысокого напряжения, по сравнению с 20 минутами для традиционной схемы. Энергетическая калибровка и разрешение сохраняется с точностью 0,1% при изменении загрузки от 1000 до 20000 1/с. Чувствительность положения пика к изменениям питающего напряжения и температуры уменьшается пропорционально числу используемых каскадоЕ умножения [3].

Сниж&ние П11&ОГ Я—I- С-."тпаииИ сини ТИЛЛЯЦИ0.4НК!м блпипм дат&ктировання

К ряду важнейших параметров сцинтилляционного БД следует присоединить конверсионную эффективность пары "сцинтиллятор-ФЭУ", от которой при одном и том же СФИ зависит коэффициент подавления Фона или нижний порог регистрации [9]. Следует выбирать ФЭУ с чувствительностью Фотокатода не менее 100 мкА/лм. Наилучшие результаты со стильбеном (нижний порог 0.6 МэВ при подавлении

гамма-Фона в 103 раз) получены с экземпляром Фотоумножителя ФЭУ-84-2 чувствительностью катода 200 мкА/лм [9].

Повышение конверсионной эффективности сцинтилляционного детектора достигается применением новых типов детекторов, например, монокристалла паратерФенила (ПТФ), имеющего по сравнению со стильбеном в 1.5 раза больший световыход вблизи нижнего порога Г5] и соответственно лучшее энергетическое разрешение. Для селекции импульсов по Форме требуется уточнение временных параметров высвечивания ПТФ.

Разработан предусилитель с каскодным включением полевого и биполярного транзисторов в головной секции по схеме "общин исток -общая база" и динамической нагрузкой, обеспечивающий переходную характеристику каскада с временем нарастания 20 не и температурную стабильность около 0.1" при изменении температуры от 25 до 60°С [3]. Для уменьшения влияния помех в предусилитель введена дополнительная секция усиления напряжения в 10 раз. Общая нелинейность предусилителя не превышает 0.1% в диапазоне амплитуд до 3 В. При средней величине заряда Ю-14 К/импульс предусплитЕ-злъ работоспособен до максимальной загрузки 2-104 с-1.

Показано, что прямое подключением анода счетчиков или ФЭУ к входу предусилителя с подачей питания на катод снижает шумы токов утечки. Недостатком является увеличение габаритов счетчиков из-за необходимости изоляции катода от корпуса.

1Ь"

ИМПУЛЬСОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИИ для склккиии СОПУТСТВУЮЩЕГО

В третьей главе рассматриваются процессы анализа формы импульса, лежащие в основе селекции Фоновых импульсоЕ. и пути усовершенствования устройств анализа Формы. Делается вывод о взаимосЕязанности всех узлое спектрометра с селектором фоновых импульсов и необходимости изменения его структурной схемы.

Пуиниипи селекции частиц различней приколы

Селективная регистрация частиц разной Физической природы возможна из-за различия е развитии процесса сбора заряда ионизации во Бремени, что проявляется в различии Формы импульсов.

Фильтры, применяемые в селекции импульсов по Форме, делятся на две группы- В линейных селекторах сигнал Формируется на линейных цепях и определяется интервал времени, е течение которого мгновенное значение сформированного сигнала достигает некоторой заданной доли от его амплитуды. Имеется возможность наблюдать распределение импульсов по Форме, что позволяет оперативно провести настройку уровня селекции.

В нелинейных селекторах производится сравнение зарядов, собранных с ьыхода детектора за различные интервалы времени. Нелинейные Фильтры осуществляют Фильтрацию сигнала, более близкую к идеальной, и обеспечивают энергетический порог на 10-50% ниже линейных.

Разработан анализатор Формы импульсов с использованием нелинейного принципа для Формирования импульсов и измерения промежутка времени до момента сравнения амплитуд, что позволяет объединить преимущества обоих принципов [8]. Различие между

средними значениями, соответствующими гамма-излучению и нейтронам при времени анализа 2 мкс равно 250 не по сравнению с 40 не для линейных устройств.

Для уменьшения вероятности перегрузки при наложении импульса на "хвост" предыдущего, входной сигнал преобразуется в импульс тока, повторяющий импульс тока в детекторе. Ток интегрируется за два промежутка времени, и сравниваются короткая и длинная компоненты сцинтилляции вместо короткой компоненты и полного заряда. Это снижает корреляцию между сигналами, а коммутация тока выполняется проще и точнее, чем коммутация напряжения.

Показано, что основной причиной ухудшения качества селекции при низких энергиях являются Флуктуации Формы сигнала, вызванные малым числом первичных центров сцинтилляций и случайным их Высвечиванием в течение значительного интервала времени [Э].

Разработана математическая модель селектора Формы, учитывающая случайный характер высвечивания. Сцинтилляция представлена суммой быстрой и медленной компонент с постоянными времени высвечивания соответственно Тг и Та. Учитывается конечное время реакции электронного тракта То и интервалы времени интегрирования тока короткой и длинной компонент Тг,Тг. Чувствительность анализатора Формы А в модели определена как отношение производной математического ожидания отклика анализатора R по фактору формы L к среднеквадратичному отклонению отклика:

( 6 )

A(F,S,To,Ti,T2) = fdR/dL)/fDfR)

где F и S - число фотоэлектронов, соответствующих быстрой и медленной компонентам сцинтилляции;

L = S/F - Фактор Формы, определяемый как отношение полных

зарядов медленной и оыстрой компонент: D - дисперсия отклика, вычисляемая в модели.

Основные результаты рассмотрения модели сводятся к следующему:

1). Существует оптимум короткого Бремени интегрирования Ti, зависящий от остальных двух параметров, лежащий для стильбена ъ интервале времени 35 - 75 не, считая от начала импульса. Отклонение от оптимума на несколько наносекунд может в несколько раз уменьшить коэффициент подавления Фона. При этом предпочтительнее несколько превысить оптимум, чем занизить.

--Í 2). Качество анализатора Формы растет с расширением полосы пропускания всех аналоговых цепей анализатора Формы (снижения То). Особенно заметным рост становится при уменьшении времени реакции тракта ниже 100 не, что практически реализовать достаточно трудно.

3). Качество работы анализатора формы растет с увеличением времени сбора длинной компоненты Тг вплоть до 2-3 мкс.

Полученные в модели оценки согласуются с экспериментальными данными. На основании результатов расчета разработан селектор импульсов по Форме с коэффициентом подавления гамма-Фона более 10s при нижнем энергетическом пороге регистрации нейтронов 0.6 МэЕ.

Принцип дискриминации Фона при работе с пропорциональными счетчиками таков, что случайное наложение импульсов приводит V; режекции таких событий. так что селектор импульсов по Форме выполняет роль рекектора случайных наложений.

совпадение гамма-импульсов идентифицируется как нейтрон. При времени анализа 2 мкс и загрузке 3-103 с-1 коэффициент отбора

Особенности уежекиии наложений при анализе

При работе со ецмнтилляционным детектором, напротиь.

уменьшается до 150. а при 104 с-1 до 50. Поэтому при работе со сцинтилляционными детекторами необходимо использовать режектор случайных наложений даже при сравнительно невысоких загрузках.

Причинами неправильно;! идентификации Формы импульсов при повышении загрузки установлены общий для селектора Формы импульсов и режектора случайных наложений порог регистрации, и быстрый рост загрузки со снижением амплитуды. Для уменьшения искажений в селектор Формы импульса введено дополнительное устройство временной привязки УПВ2 с порогом срабатывания в несколько раз ниже основного порога и активное во время анализа Формы импульса. Выходной сигнал с УВП2 поступает на дополнительный вход режектора наложений, открытый только в течение интервала инспекции [7]. При этом загрузка возрастает только в УВП2 и некоторых логических цепях РН. Все аналоговые цепи устройства идентификации формы импульсов работают при нормальной загрузке, соответствующей более высоком:/ основному порогу.

Результаты, полученные с нелинейным СФИ БСФ-02Н ГЗ] при значениях относительного порога УВП2 в пределах 0.1 - 0.7 и при основном пороге 0.8 Мэв в шкале энергии нейтронов, представлены в Табл. 1.

Табл. 1. Коэффициенты подавления гамма-фона в зависимости от входной

заг рузки.

Входная I загрузка.

Струк тура без УВП2

Структура с УВП2 при относительном пороге

! кГц 1 0. 1 0.2 0.3 0.5 0.7

1 1 i 800 I >2000 ! >2000 1400 ! 900 1 800

I о ; 300 ■ 1600 ! 1500 1200 i 500 ! 350

! 5 i 120 i 1200 1 1200 1000 i 200 i 150

! 10 I 75 750 ! 750 500 i 130 ! 100

! 20 i 50 ! 350 ! 350 200 i 100 ' 65

Г.Я..Я л_ спсттронктр шстронов на основ« НМЖРО—ЭВМ

В четвертой главе рассмотрены реализации спектрометра нейтронов, содержащих совместно со входным устройством устройства сбора и обработки информации (/НО) на основе микро-ЭВМ, обеспечивающие сервисные Функции спектрометра и обработку спектров.

Необходимый набор Пункций спектромятрп

Прибор СЭС-18П [3] разработан на базе микро-ЭВМ НМС 11100.1 (ДВК-1), дополненой платаии-графического дисплея и связи с аналого-цифровым преобразователем. На платах аппаратно организованы уалы управления графическим дисплеем (курсор, разметка "зон интереса"), таймеры живого и реального времени и последовательный интерфейс для связи с внешними устройствами. Преимуществом прибора является отсутствие процедур загрузки и инициализации спектрометра. Программа, находякаяся в постоянном запоминающем устройстве, делае+ спектрометр готовым к работе немедленно после его включения.

УНО комплекса нейтронной аппаратуры реализован на базе персонального компьютера IBM PC/AT и анализатора на микро-ЭВМ "Электроника МС 1212", связанных по последовательному интерфейсу. Программное обеспечение анализатора хранится в дисковой памяти IBM PC и при запуске загружается в ОЗУ микро-ЭВМ. После загрузки анализатор может набирать информацию автономно, а ПК в это время может обрабатывать ранее набранную информацию. Управление осуществляется с клавиатуры ПК. Результаты измерений сохраняются в массовой памяти персонального компьютера. В спектрометре возможна одновременная регистрация спектров нейтронов и гамма-излучения, а также регистрация событий как двумерного массива в координатах "амплитуда-Форма".

Восстановление действующих спектров

Восстановление спектров, полученных 3Не-счетчиком, выполняется

!гм 'у.

гуппировкой аппаратурного спектра в энергетических зонах в

! 'зип от'.

соответствии с текущей калибровкой шкалы к шагом используемой

дедпс

матрицы, и умножением вектора сгруппированных данных на обратную

матрицу отклика. Погрешность спектра определяется статистической

г.

погрешностью аппаратурного спектра и точностью обратной матрицы.

Г.ЧЭТЗП

Для детекторов протонов отдачи процедура восстановления

хия и

сводится к численному дифференцированию аппаратурного распределения с поправкой на нелинейность световыхода. Численное дифференцирование со сглаживанием выполняется методом наименьших

'.ОН -г Г.

квадратов, снижающим статистическую погрешность результата. Этот же

яну ..

алгоритм использован и для восстановления гамма-спектров из

.зааф!

распределений комптоновских электронов отдачи. Ветвление программы

-у ко'-

происходит при вычислении функций световыхода в зависимости от типа

'■ИЙОЧ

детектора.

ато'ю-

Основной эад^у^й диссертации являлобё"Коздание ионизационного спектрометра быструд. нейтронов на основе микро-ЭВМ. Разработка имеет целью повыще^е. точности измерения спектров эа счет улучшения энергетического разрешения и стабильности блоков детектирования, снижения энергетического порога и повышения загрузочной способности входного устройства спектрометра, а также обеспечение автоматического восстановления действующих спектров из аппаратурных распределений. _э

Основные итогработы сводятся к следующему:

1). Разработаны алгоритм и программа расчета Функции отклика спектрометрического газового пропорционального счетчика, позволяющие оптимизировать геометрические размеры электродов. По результатам расчета разработаны и изготовлены несколько типов счетчиков, в том числе счетчики с точно определенным объемом для измерения потоков нейтронов, и малогабаритные счетчики с энергетическим разрешением на 20-30% лучше существующих прототипов.

2). Разработан сцинтилляционный блок детектирования, имеющий в 2-3 раза меньшую зависимость амплитуды выходного сигнала от изменения напряжения питания ФЭУ и окружающей температуры и пониженное напряжение высоковольтного питания.

3). Разработана математическая модель нелинейного селектора Формы импульса сиинтилляционного детектора, учитывающая статистику фотонов сцинтилляции, получены оценки предельных возможностей селектора и выявлены параметры детекторной части и электронных схем, необходимые для реализации этих возможностей, показана определяющая роль сочетания "сцинтиллятор-ФЭУ".

4). Разработан селектор импульсов по Форме, совмещающий преимущества линейных и нелинейных устройств и обеспечивающий контроль распределения импульсов по Форме и уровня селекции.

5). Разработан режектор наложений для сиинтилляционного спектрометра с селекцией импульсов по Форме, уменьшающий искажения аппаратурного спектра импульсами, вызванными совпадением регистрируемого импульса с импульсами малой амплитуды, что повысило загрузочную способность спектрометра до 2-104 с-1.

6). Разработаны алгоритмы восстановления действующих спектров нейтронов и гамма-излучения для входящих в состав спектрометра детекторов, пригодные для реализации на микро-ЭВМ.

7). Вновь разработанные и усовершенствованные детекторы, блоки детектирования и селектор формы импульсов реализованы в спектрометрах быстрых нейтронов диапазона энергий 10 кэВ - 20 МэВ с допустимой входной загрузкой 2-Ю4 с-1, включающих устройство накопления и обработки информации на основе микро-ЭВМ. Со сцинтилляиионным детектором спектрометры позволяют регистрировать одновременно спектры нейтронов в диапазоне 0.6-20 МэВ и спектры гамма-излучения в диапазоне 0.05 - 8 МэВ. Разработанное программное обеспечение позволяет оперативно обрабатывать данные всех входящих в комплект детекторов. Спектрометры внедрены в практику ядер'Но-Физического эксперимента в НИКИЗТ, НИТИ (г.Сосновый Бор), ВНИИСтали и ВНИИПриборостроения (Челябинск-70).

Работы, положенные в основу диссертации, опубликованы в Трудах -научных конференций, отчетах о НИР, периодических и тематических ^выпусках сборников и журналов.

1. Абасов А.Г., Байкалов С.Н., Баранов В.В., Федин В.И., Чубинский В.В. Спектрометрическая система для исследования моделей бланкетов и радиационной зашиты термоядерных установок.// Нейтронно-энергетические проблемы термоядерных установок: сб. научных трудов ЭНИН им. Г.М.Кржижановского. - М.: 1989.- с. 23-28.

2. Байкалов С.Н. и В.В.Баранов В.В. Сцинтилляционный блок детектирования ионизирующего излучения: А. е., 1662250 СССР, ГКИЗ 001 Т 1/20/(СССР). - 6 е.: илл.

3. Байкалов С.Н., Баранов В.В., и др. Исследование путей создания универсального спектрометра нейтронов. Отчет о НИР./Союзный НИИ приборостроения. - N ГР /14897. - М.: 1986(Часть I), 1988 (Часть II).

4. Байкалов С.Н., Баранов В.В., и др. Исследование и определение оптимальных путей построения информационно-измерительных управляющих комплексов для термоядерных установок. Отчет о НИР./Союзный НИИ приборостроения. - Инв.Ы 4685. - М.:1980.

5. Байкалов С.Н., Баранов В.В., Волков B.C. и др. Спектрометр быстрых нейтронов с органическим сцинтиллятором на основе паратерфенила. Доклад на III Всесоюзном совещании по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях. Тезисы докладов, изд. ВНИИФТРИ, М., 1982, с.55.

6. Байкалов С.Н., Баранов В.В., Крылов Л.Н. и др. Комплекс аппаратуры нейтронной диагностики установки Т15.// IV Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы: Тезисы докладов. - Алушта, 1986.

7. Баранов В.В. Дискриминатор Формы импульсов для работы при повышенных загрузках: А. е., 1667521 СССР, ГКИЗ G01 Т 3/06 -6с.: илл.

8. Баранов В.В. Дискриминатор Формы импульсов органического сцинтилляционного детектора/Положительное реаение от 14.01.92 г. на заявку N4948939/25 с приоритетом от 25.06.91 г.

9. Баранов В.В. Оптимизация временных параметров дискриминатора Формы импульсов// Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. 1991. Вып.1-2, с.26.

10. Баранов В.В. Преобразователь длительности Фронта импульса в амплитуду: А. е., 1557672 СССР, ГКИЗ НОЗ К 6/00, G01 Т 1/20/(СССР). - 6с.: илл.