Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 17-20

ВВЕДЕНИЕ

Принцип работы радиационного монитора основан на регистрации γ- и n-излучения ядерных материалов с последующей обработкой результатов измерений и принятием решения о значимом превышении полученных результатов над уровнем фона. Поток нейтронов, создаваемый ядерными материалами, очень мал и составляет, например, для плутония 60 (г ⋅ с)^–1 [1]. Для обнаружения меньшего количества ядерных материалов необходимо, чтобы нейтронный фон естественного излучения был как можно меньше, а полезный сигнал – как можно больше.

В работе рассмотрено влияние конструкции замедлителя на эффективность пропорциональных ³He-счетчиков с полиэтиленовым замедлителем. Показана возможность повышения отношения полезного сигнала от ядерного материала к фону естественного излучения за счет отличия в энергетическом спектре.

ВЛИЯНИЕ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ

Эффективность регистрации ε определяется отношением числа отсчетов, зарегистрированных детектором, к количеству излученных нейтронов ядерным материалом. Эффективность регистрации нейтронов ³He-счетчиками растет с уменьшением энергии нейтронов и для тепловых нейтронов составляет 80%. Регистрация нейтронов в счетчике проходит по реакции: ³Не + n → → ³H + p + 760 кэВ, сечение которой для тепловых нейтронов равно 5300 б. Таким образом, расположение полиэтиленового замедлителя может существенно влиять на эффективность регистрации.

В данной работе с помощью метода Монте-Карло и данных, приведенных в работе [2], проведены расчеты для детектора нейтронного излучения на основе пропорционального ³He-счетчика, помещенного в замедлитель. Счетчик наполнен ³He под давлением 4 атм и имеет размеры ∅30 × 320 мм. Полиэтилен имеет длину b = = 320 мм, ширину a = 100 мм и толщину, складывающуюся из двух размеров h₁ и h₂, мм, относительно центра счетчика. Источник нейтронов ²⁵²Cf размещен на расстоянии r  = 500 мм от центра детектора на линии, перпендикулярной к ³He-счетчику (рис. 1). Для расчетов был использован спектр деления Уатта со средней энергией нейтронов 2.306 МэВ:

Рис. 1.

Схема измерений нейтронного излучения. 1 – счетчик нейтронов, заполненный ³He; 2 – полиэтилен; 3 – источник нейтронов.

Результаты расчета представлены на рис. 2. Статистическая погрешность эффективности регистрации составила <1%. Толщина полиэтилена отсчитывалась от центра счетчика вверх h₁ и вниз h₂. Наиболее высокую эффективность регистрации обеспечивали слои полиэтилена, один из которых, толщиной 60 мм, установлен перед ³He-счетчиком, а второй, толщиной 80 мм, – за ним. При заданной толщине полиэтилена, находящегося за счетчиком, с увеличением толщины полиэтилена перед счетчиком эффективность регистрации сначала увеличивается, а затем снижается, что связано с захватом нейтронов водородом. При заданной толщине полиэтилена перед счетчиком с увеличением толщины полиэтилена за счетчиком эффективность регистрации приближается к асимптотическому значению. Этот эффект объясняется отражением нейтронов от полиэтилена, находящегося за счетчиком.

Рис. 2.

Зависимость эффективности регистрации ε детектора нейтронов от толщины полиэтилена относительно центра счетчика сверху h₁ и снизу h₂.

СНИЖЕНИЕ ФОНА ЕСТЕСТВЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Основными источниками нейтронного излучения на поверхности Земли являются вторичное космическое излучение и земная кора. Экспериментальные данные, полученные сотрудниками НИИЯФ МГУ в Москве на Воробьевых горах, в здании физического факультета Московского университета, на высоте порядка 20 м, показывают, что потоки нейтронов с энергией не более 0.45 эВ (70%) достигают значений до 2 ⋅ 10^–3 см^–2 ⸱ с^–1 [3]. Учитывая этот факт, представляется возможным снизить естественный фон, используя кадмиевый фильтр. Последний обеспечит снижение эффективности регистрации падающих нейтронов всех энергий, но больший эффект будет достигнут для нейтронов более низких энергий – фоновых нейтронов космического излучения и земной коры.

На рис. 3 представлена зависимость эффективности регистрации от энергии нейтронов для кадмиевых фильтров разной толщины. Для расчетов использована геометрия эксперимента, представленная на рис. 1, с добавлением кадмиевого фильтра размером 320 × 100 мм, размещенного на верхней части полиэтиленового замедлителя. Результаты расчета показали, что при использовании кадмиевого фильтра эффективность регистрации падающих нейтронов с энергией до 1 эВ снижается значительно, а с большей энергией – незначительно. Спад эффективности в области энергий более 0.5 МэВ обусловлен недостаточным количеством замедлителя.

Рис. 3.

Зависимость эффективности регистрации детектора от энергии нейтронов при толщине кадмиевого фильтра: 0 (1), 0.1 (2), 0.5 (3), 1.5 мм (4).

Для выяснения суммарного эффекта фильтрации фоновых нейтронов проведен расчет коэффициента качества $Q = N{\text{/}}\sqrt {{{N}_{{\text{ф}}}}} $, который показывает превышение полезного сигнала от источника N над фоном ${{N}_{{\text{ф}}}}$. В качестве источника фонового излучения было использовано распределение Максвелла со средней энергией нейтронов 0.75 эВ, для источника нейтронов ²⁵²Cf – спектр деления Уатта со средней энергией нейтронов 2.306 МэВ.

Результаты расчета позволили установить, что добавление кадмиевого фильтра позволяет в разы уменьшить фон естественного излучения при снижении полезного сигнала на единицы процентов (рис. 4). Например, для кадмиевого фильтра толщиной 1 мм фон естественного излучения уменьшается в 1.76 раза при снижении полезного сигнала на 2%.

Рис. 4.

Зависимость коэффициента качества Q от толщины кадмиевого фильтра h.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Для измерений использовали детектор нейтронного излучения на основе пропорциональных ³He-счетчиков, помещенных в замедлитель. Измерения проводили как с использованием кадмиевого фильтра толщиной 1 мм, который размещали со всех сторон детектора, так и без него. Порог обнаружения определялся измерением скоростей счета фона и сигнала с фоном. Под порогом обнаружения понимают минимальную массу ядерного материала, которую способен обнаружить радиационный монитор с вероятностью 0.5 и доверительной вероятностью 0.95 [4]. Скорость счета сигнала с фоном определялась расположением источника нейтронов ²⁵²Cf на расстоянии 50 см от эффективного центра детектора. Результаты измерений фона и порога обнаружения представлены в табл. 1.

Анализ полученных результатов показал, что применение кадмиевого фильтра позволяет уменьшить фон естественного излучения и, как следствие, снизить порог обнаружения ядерного материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования позволили установить оптимальную толщину полиэтилена, при которой обеспечивается высокая эффективность регистрации ядерных материалов, она составила 60 мм перед ³He-счетчиком и 80 мм за ним. Было установлено, что применение кадмиевого фильтра позволяет снизить фон естественного излучения и порог обнаружения. С увеличением количества ³He-счетчиков эффект кадмиевого фильтра становится существеннее, например, добавление кадмиевого фильтра толщиной 1 мм позволяет снизить порог обнаружения ядерного материала на 17% для одного ³He-счетчика и на 27% – для двух.