Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физика взаимодействия излучения с веществом. Математическое моделирование 19
1.1 Поля излучений 19
1.2 Нейтронное излучение делящихся материалов 20
1.3. Нейтроны в космосе 22
1.4 Детектирование нейтронного излучения 23
1.5. Методы идентификации и диагностики радиоактивных материалов по нейтронному излучению 27
1.6. Аппаратура, применяемая для регистрации потоков нейтронов 28
1.7 Исследуемая Аппаратура . 34
1.8.1 Іеобходимость моделирования 34
1.9 Моделирование методом Монте-Карло . 35
1.9.1 Теория и характеристики метода 35
1.9.2 Метод Монте-Карло в задаче взаимодействия излучения с веществом 37
1.10 Примеры моделирования аппаратуры 40
1.10.1 Программа MCU-RFF1I2 43
1.10.2 Программа «ПРИЗМА» 44
1.10.3 Программа GEANT 45
1.11 Программа MCNP-4C 46
1.12 Программа NEDSUM-2 47
1.13 Выводы 49
Глава 2. Типы моделируемых устройств 50
2.1 Метод регистрации нейтронов 50
2.2 Технические характеристики прибора МД111 51
2.3 Технические характеристики прибора «Рябина-4П» 56
2.4 Выводы 57
Глава 3. Алгоритм программы NEDSUM-2 58
3.1 Описание программы 58
3,1.1 Модель системы детекторов 58
3.L2 Алгоритм NEDSUM-2 62
3.2 Выводы 71
Глава 4. Результаты расчетных экспериментов, проведенных с помощью программы NEDSUM-2 72
4.1 Тестирование программы 72
4.1.1 Исследование программы на основе результатов расчетов проведенных во ВНИИТФ 72
4.1.2 Исследуемые приборы типа МДШ 77
4.1.3 Тестирование программы на основе эксперимента с радионуклидыым источником 252Cf, проведенного в НИИИТ , 79
4.1.4 Тестирование программы на основе экспериментальных данных с моноэнергетическими нейтронами 84
4.1.5 Проверка программы NEDSUM-2 на основе экспериментов с радионуклидными источниками, проведенными в МИФИ и ВИИИТФ 91
4.2 Расчет функции отклика детектора «Рябина-4П» 94
4.3 Исследование отклика прибора МДШ на поток нейтронов от точечного изотропного источника 100
4.3.1 Перемещение источника вдоль лицевой грани детектора 100
4.3.2 Перемещение источника по окружности относительно центра детектора 102
4.4 Исследование отклика прибора МДШ на скрыто-провозимые делящиеся материалы 104
4.4.1 Расчет функции отклика от источника 252С/в полиэтиленовом шаре 104
4.4.2 Вероятность обнаружения делящихся материалов в стандартных транспортных контейнерах при помощи МДШ 105
4.5 Выводы 107
Глава 5. Предложения по модификации и совершенствованию приборов МДН 109
5.1 Совершенствование конструкции многослойного детектора 109
5.1.1 Уменьшение толщины заднего слоя полиэтилена 109
5.1.2 Уменьшение количества счетчиков, повышение давления 110
5.1.3 Улучшение расположения счетчиков в полиэтилене 113
5.2 Исследование чувствительности прибора МДІІ2 к нейтронам спектра деления (^Cf) и нейтронам отРи-а-Ве источника 116
5.3 Предложения по дальнейшему совершенствованию приборов типа МДЇ1 119
5.3.1 Моделирование функции отклика нейтронного детектора для счетчиков различных диаметров 119
5.3.2 Расчет функции отклика многодетекторного комплекса 122
5.4 Выводы ..125
Заключение 127
Список литературы 129
- Методы идентификации и диагностики радиоактивных материалов по нейтронному излучению
- Исследование программы на основе результатов расчетов проведенных во ВНИИТФ
- Вероятность обнаружения делящихся материалов в стандартных транспортных контейнерах при помощи МДШ
- Моделирование функции отклика нейтронного детектора для счетчиков различных диаметров
Введение к работе
Актуальность проблемы На сегодняшний момент в мире накоплен достаточно большой опыт работы с радиоактивными материалами (РМ). Очевидно, что с широким распространением ядерных технологий очень важным становится вопрос о безопасности обращения с РМ. Нарушение правил безопасности при обращении с РМ может приводить, с одной стороны к серьезным авариям и катастрофам, радиационному загрязнению значительных участков местности, а с другой стороны к бесконтрольному перемещению данных материалов, возможному применению их некоторыми лицами в террористических целях [45,76]. Поэтому проблема сохранности и контролируемого перемещения РМ в настоящее время достаточно актуальна. Регистрация потоков нейтронов и фотонов, испускаемых РМ, и определение характеристик гамма- и нейтронных полей, создаваемых этими материалами, - первый этап на пути обеспечения безопасности. Таким образом, разработка, конструирование и производство аппаратуры, предназначенной для регистрации радиоактивных излучений, имеет важнейшее значение. В связи с развитием компьютерных технологий большое значение в настоящее время получил метод математического моделирования происходящих в природе процессов, позволяющей как значительно упростить создание регистрирующей аппаратуры, так и адекватно интерпретировать результаты измерений.
Число физических задач, решаемых методами математического моделирования, достаточно велико. Основной особенностью моделирования является то, что физический прибор, объект или явление заменяются его математической моделью. Изучая свойства разработанной модели с помощью ЭВМ, можно предсказывать поведение моделируемого объекта в произвольных физических условиях. Причем изучение свойств объекта-модели не требует больших затрат времени и финансовых расходов, и, что самое главное позволяет получать данные, необходимые для исследования свойств объекта в реальных условиях [46,66].
Наиболее распространенным методом моделирования является метод Монте-Карло. Существует много стандартных пакетов, предназначенных для расчета приборов, основанных на этом методе. Ниже упомянуты наиболее известные из них:
коммерческий пакет MCNP из лаборатории в Лос-Аламос (США), позволяющий рассчитывать перенос нейтронов, фотонов и электронов в среде сложного материального состава в трехмерной геометрии [57];
свободно распространяемый пакет GEANT из ЦЕРІ 1а (Швейцария) [56];
свободно распространяемый пакет MCU-RFFI/2 из института им. И.В. Курчатова, предназначенный, в основном, для расчета параметров ядерных реакторов
[581;
программа «ПРИЗМА», созданная во РФЯЦ ВПИИТФ в г. Снежинск, предна
значенная для расчета характеристик взаимодействия излучения с исследуемыми
объектами [39,40].
В некоторых случаях целесообразность использования универсального пакета не является очевидной. Например, в пакете может не оказаться средств для описания геометрии исследуемого прибора. Кроме того, в некоторых случаях имеются оригинальные алгоритмы, адекватно моделирующие исследуемый прибор. Как правило, такие ограниченные пакеты оптимизированы под конкретную задачу и работают значительно быстрее, чем универсальные программы. Так же в таких пакетах обычно значительно проще задавать геометрию исследуемой задачи.
Объект и предмет исследования Данная диссертационная работа является частью исследований, проводимых в лаборатории «Радиометрии близкофоновых потоков излучений» кафедры «Прикладная ядерная физика» МИФИ. Одним из направлений научной деятельности сотрудников данной лаборатории является разработка и создание регистрирующей аппаратуры, предназначенной для исследования потоков и спектрального состава полей излучений. Данная аппаратура находит применение для:
контроля неизменности состава РМ,
контроля за перемещением РМ,
локализации источников радиоактивного излучения на местности,
изучения нейтронных потоков на орбите Земли [21,25,30,52,61,64,65,68,81,82].
Сотрудниками данной лаборатории в течение ряда лет ведутся разработки многослойных нейтронных детекторов, которые могут являться составной частью детектирующего комплекса, предназначенного дія контроля неизменности состава и перемещения РМ. Эти комплексы могут размещаться на различных пропускных пунктах,
9 на заводах по обработке ядерного топлива и т.п. В рамках выполнявшихся на кафедре проектов МНТЦ №348 и №1644 под руководством Самосадного В.Т. и Кадилина В.В. при участии сотрудников ІІИИИТ и РФЯЦ ВІІИИТФ был разработан и изготовлен ряд многослойных детекторов нейтронов. Были сделаны следующие детекторы: прибор МДІИ, который представлен в виде модификаций МДШ.01 и МДШ.02, различающихся между собой толщинами замедляющих слоев и созданных в рамках проекта №348, и прибор нового поколения МДІІ2 с другой внутренней структурой, созданный в рамках проекта №1644. В разработке этих модификаций (МДІІ1 и МДН2) приборов диссертант принимал активное участие. Причем, конструкция прибора МДІ12, его внутренняя структура, тип гелиевых счетчиков были предложены диссертантом на основе проведенных расчетов. Многослойный детектор типа МДН1 или МДН2 входит в состав аппаратного комплекса по обнаружению и идентификации источников гамма- и нейтронного излучения [68,70] и позволяет измерять характеристики нейтронного излучения при работе в автономном режиме. Комплекс, в который кроме нейтронных детекторов, входят гамма- спектрометры на основе сжатого ксенона, может использоваться как для регистрации гамма- и нейтронного излучения, так и нейтронного излучения при работе в автономном режиме [26,94]. Наибольшие возможности работы в автономном режиме имеются у прибора МДІГ2, оборудованного новой системой сбора данных ИСИС-2 [70].
Многослойный детектор на основе гелиевых счетчиков тепловых нейтронов предназначен для оперативной оценки энергетического спектра потока нейтронов и идентификации нейтронных источников с различными спектрами. Прибор состоит из слоев гелиевых счетчиков, разделенных между собой слоями полиэтиленового замедлителя, и эффективно регистрирует нейтроны, попадающие в детектор через любую из его граней. Однако, в силу конструктивных особенностей детектора, можно восстановить энергетический спектр только тех нейтронов, которые попали в детектор через его лицевую грань. Для уменьшения доли нейтронов, попадающих в МДН через другие грани, прибор, кроме лицевой грани, со всех сторон окружен защитным экраном из водородосодержащего вещества с добавками материалов, поглощающих тепловые и медленные нейтроны.
Нейтронные детекторы аппаратуры «Рябина-4П», разработанной в ІІИИЯФ МГУ имени Д.В. Скобельцина совместно с кафедрой «Прикладная ядерная физика»
10 МИФИ, отличаются от МДІ1 количеством регистрирующих слоев (их всего два) и отсутствием защитного экрана. В состав аппаратуры «Рябина-4П» входят четыре нейтронных детектора, расположенных крестообразно относительно корпуса искусственного спутника (каждый детектор повернут относительно предыдущего на угол 90). За счет разности счета в различных модулях может быть определено направление на источник излучения [52,82].
В диссертационной работе рассматриваются методы и результаты моделирования упомянутых выше приборов: многослойного детектора нейтронов (МДП), пяти-слойная модификация которого предназначена для исследования нейтронных полей на земле, и двухслойной модификации, имеющей кодовое название «Рябина-4П», которая находилась на наружной стороне модуля «Спектр» ОС «МИР».
В диссертационной работе рассматривается моделирование откликов приборов с использованием разработанных на кафедре «Прикладная ядерная физика» оригинальных программ - NEDSUM [61,80], и версии NEDSUM-2 [13,14,26-35], разработанной при участии автора, и универсальных программ. Результаты, полученные по программам MCNP и ПРИЗМА, сравнивались с результатами полученными по программе NEDSUM-2.
Целью работы является:
Разработка математических моделей детекторов нейтронного излучения, исследование их характеристик численными методами, вычисление матриц чувствительности этих детекторов и выработка предложений по модернизации детекторов.
Были решены следующие задачи.
1. Проведена модернизация алгоритма и программы NEDSUM, предназначенной в исходном варианте для моделирования отклика однородных многослойных структур при взаимодействии с плоскопараллельными потоками нейтронов, которая включала:
добавление в программу NEDSUM части, позволяющей проводить расчеты отклика прибора для изотропных потоков нейтронов (в том числе потоков нейтронов в космическом пространстве);
изменения программы, позволяющие учитывать реальную геометрию детектора, добавление части для расчета защитного экрана, окружающего детектор;
добавление в программу NEDSUM части для расчета отклика от точечного изотропного источника;
расширение библиотеки констант программы NEDSUM (из библиотеки БНАБ-81 [3] добавлены новые элементы);
добавление в программу части для расчета нсупругого рассеяния нейтронов по матрицам межгрупповых переходов (из БПАБ-81).
2. Проведено сравнение результатов расчетов полученных по новой модернизиро
ванной программе NEDSUM-2:
с результатами расчетов проведенных в РФЯЦ ВНИИТФ по программе «ПРИЗМА»;
с результатами эксперимента с моноэнергетическими потоками нейтронов, проведенного на ускорителе ЭСУ-2.5 в РНЦ Курчатовский институт и параллельное сравнение с результатами моделирования результатов этого эксперимента по программе MCNP;
с результатами экспериментов с радионуклидными источниками нейтронов, проведенных в I ШИИТ, МИФИ, РФЯЦ ВНИИТФ.
Исследована возможность приборов типа «РЯБИІІА-4П» для оценки энергетического состава нейтронов в околоземном космическом пространстве.
Рассчитана функция отклика прибора МДН1 на потоки нейтронов с заданным угловым и энергетическим распределением.
Исследованы с помощью прибора МДН1 возможности обнаружения скрыто-провозимого делящегося материала.
Сделаны следующие предложения по оптимизации прибора МДІІ1:
предложена новая толщина последнего замедляющего слоя для снижения массово-габаритных характеристик детектора при одновременном сохранении детектирующих свойств;
предложены новые элементы конструкций прибора МДШ с целью улучшения детектирующих свойств для задачи регистрации нейтронов кон-
12 кретных энергетических групп. 11а основе этих предложений создан прибор нового поколения МДН2.
7. Проведены исследования детектора нового поколения МДІ12:
выполнен расчет функции отклика на поток нейтронов от источника
выполнен расчет функции отклика на поток нейтронов от источника 23чРи-Вс;
проведено сравнение расчетных данных с результатами экспериментов с радионуклидными источниками, проведенных в МИФИ и РФЯЦ ВНИИТФ.
8. Сделаны предложения по оптимизации прибора МДІI:
предложено использование счетчиков различных диаметров в регистрирующих слоях;
предложена и исследована модель многодетекторного комплекса, созданного на основе детектора МДІ 11
Научная новизна работы состоит в следующем.
Предложен и разработан алгоритм и создана программа NEDSUM-2, позволяющие моделировать многослойные детектирующие устройства с целью получения их характеристик с учетом их внутренней конструкции.
С помощью разработанной программы получены функции отклика многослойных детектирующих устройств для нейтронных потоков, отличающихся пространственными и энергетическими распределениями, вычислены матрицы чувствительности этих устройств.
Предложены новые элементы конструкции детектирующих устройств, позволяющие улучшить их характеристики по обнаружению и идентификации изделий, содержащих делящиеся материалы.
Показана возможность использования многослойных детекторов в околоземном космическом пространстве для оценки энергетического состава нейтронного излучения.
13 Практическая значимость работы заключается в том, что
созданы специализированный алгоритм и проірамма NEDSUM-2, которые позволяют моделировать многослойные детектирующие системы с учетом внутренней конструкции этих систем;
исследованы отклики созданных многомодульных детектирующих устройств при регистрации потоков нейтронов с заданным угловым и энергетическим распределениями; получены матрицы чувствительностей для этих устройств;
по результатам расчетов создан многослойный детектор нового поколения МДІІ2 и рассчитаны его характеристики.
Содержание работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 125 наименований, содержит 144 страницы, в том числе 57 рисунков и 15 таблиц.
В первой главе рассматриваются физические методы, используемые при регистрации делящихся материалов (ДМ). Основным источником информации о ДМ являются испускаемые ими потоки фотонов и нейтронов. Основной изотоп, вносящий вклад в нейтронный фон от изделий - изотоп 240Ри. Ставится задача о необходимости регистрации нейтронов в околоземном космическом пространстве. Рассматриваются различные методы детектирования нейтронного излучения, различные типы счетчиков (газоразрядные, сцинтилляционные, камеры деления).
Существующие методы идентификации и диагностики ДМ, основанные на исследовании нейтронных полей, выходящих из изделий, разделяются на две группы: активные и пассивные. Приведены характеристики этих двух групп. Даны примеры регистрирующей нейтроны аппаратуры, работающей на гелиевых счетчиках. Кратко описано два детектора: МДІI и «РЯБИІІА-4П», рассматриваемые в данной работе.
Рассматриваются элементы теории моделирования приборов, предназначенных для регистрации нейтронных полей от ДМ. Приведены примеры моделируемых устройств. Описан наиболее широко используемый при моделировании приборов метод статистических испытаний, или метод Монте-Карло. Приведено краткое описание программы MCNP, основанной на методе Монте-Карло и предназначенной для моделирования прохождения ионизирующих излучений через среды сложного материаль-
14 ного состава и сложной геометрии и используемой в диссертации для проверки результатов расчетов полученных по программе NEDSUM-2.
Рассматриваются элементы разработанной при участии диссертанта программы NEDSUM-2, позволяющей вычислять функцию отклика приборов типа МДП.
В второй главе представлены описания типов моделируемых устройств: моделей многослойных приборов МДН1, МДІІ2, состоящих из пяти регистрирующих слоев и многослойный детектор «Рябина-4П», состоящий из двух детектирующих слоев.
В третьей главе подробна описана разработанная программа NEDSUM-2, основанная на методе Монте-Карло, с помощью которой проводилось моделирование исследуемых приборов (МДІІ1, МДН2, Р.ЯБИПА-4П). Новая версия в отличие от NEDSUM позволяет учитывать наличие гелиевых трубок в регистрирующих слоях (программа NEDSUM позволяет моделировать прохождение нейтронов через пло-ские, однородные регистрирующие слои из Не), и защитного экрана, окружающего детектор, а также модулей для расчета отклика от изотропного потока и точечного источника, добавлен блок для расчетов неупругого рассеяния нейтронов.
В первой части четвертой главы говорится о сравнении результатов расчетов, полученных по программе NEDSUM-2 как с результатами расчетов полученных по другим программам, так и с результатами различных экспериментов. Во-первых, было проведено сравнение результатов полученных по данной программе с результатами расчетов полученных по программе ПРИЗМА в институте ВІІИИТФ. Полученные данные согласуются между собой в в пределах от 1 до 10%. Кроме того, было проведено сравнение результатов расчетов по программе NEDSUM-2 с результатами эксперимента с радионуклидными источниками нейтронов, проведенного в ПИИИТ. Эти данные согласуются между собой в в пределах от 1 до 10-15%.
Так же проводилось сравнение результатов расчета по программе NEDSUM-2 с результатами эксперимента по исследованию зависимости чувствительности регистрирующих слоев многослойных детекторов от энергии моноэнергетических нейтронов, проведенного на линейном ускорителе заряженных частиц ЭСУ-2.5 в PIЩ «Курчатовский институт». На представленных графиках видно, что результаты согласуются результатов в пределах 10-15%.
Было проведено сравнение результатов эксперимента, проведенного на ускорителе, с результатами расчетов по программе MCNP. Полученные расчетные данные
15 согласуются в пределах 10% как с экспериментальными данными, так и с результатами расчетов по оригинальной программе NEDSUM-2, разработанной на кафедре «Прикладная ядерная физика».
Также сравнивались результаты расчетов и экспериментов с радионуклидными источниками нейтронов, проведенных в МИФИ и РФЯЦ ВІІИИТФ. Данные расчета и эксперимента согласуются меду собой в пределах 10-15%.
Рассматриваются результаты расчетов зависимости чувствительности слоев нейтронных детекторов аппаратуры «Рябина-4П» от энергии, которые были выполнены для заданных размеров детектирующих модулей. Расчеты проводились для потоков нейтронов, падающих на детектор нормально регистрирующим слоям в случае параллельного и под произвольным углом - в случае изотропного потока. Расчеты проводились для потоков моноэнергетических нейтронов в групповом приближении БНАБ-81 (для двадцати восьми групп). Также проводился расчет откликов двух слоев детектора на потоки нейтронов со следующими спектрами: деления, альбедо от поверхности земли, солнечных нейтронов.
В последней части четвертой главы приведены результаты численных исследований используемых моделей прибора МДП1. Исследовалась зависимость отклика прибора от положения точечного источника перед лицевой гранью детектора и зависимость чувствительности от угла падения для точечного изотропного источника, находящегося на фиксированном расстоянии 50 см от центра детектора.
Рассматриваются возможности регистрации скрыто-провозимого делящегося материала прибором типа МДШ. Приводятся характеристики прибора МДІІ1 в случае регистрации нейтронов, выходящих из полиэтиленовых сфер различного диаметра (детектирующие свойства при регистрации замедленных нейтронов), и результаты исследования его возможности обнаружения скрытно-провозимого делящегося материала в стандартных транспортных контейнерах этим прибором.
В пятой главе рассматриваются возможности модификации и модернизации приборов типа МДН.
Во-первых, ставится задача модификации конструкции прибора МДІП и создания на его основе нового прибора МДІ12 с улучшенными характеристиками.
Сначала для снижения массово-габаритных характеристик нового создаваемого детектора МД112 при одновременном сохранении детектирующих свойств была решена задача по уменьшению толщины последнего слоя замедлителя прибора МДІІІ.
Затем задача по оптимизации конструкции прибора МДП1 была поделена на два этапа.
На первом этапе ставилась задача уменьшения стоимости нового детектора за счет уменьшения числа гелиевых счетчиков в слоях. Возможную потерю чувствительности при этом можно было компенсировать увеличением давления газа в счетчиках. Расчеты проводились на основе выбранных на рынке счетчиков типа Гелий-4 с давлением газовой смеси - 10 атм (давление 3Пе - 8атм). Число счетчиков в слоях было уменьшено с 16 до 10. На основе проведенных расчетов было показано, что длину счетчика желательно увеличить на 2см, что и было сделано фирмой-изготовителем. Новый тип счетчиков получил название «Гелий-4-1».
На втором этапе по оптимизации стояла задача такого подбора толщины замедляющих слоев, чтобы получать наиболее полную информацию об исследуемом спектре нейтронов. Для этой цели были выбраны энергетические группы: 0+100 кэВ, 100 кэВ * 1 МэВ, 1 *- 2.5 МэВ,2.5 * 6 МэВ и 6 * 14.5 МэВ. Для получения максимальной чувствительности прибора, было принято решение о размещении гелиевых счетчиков в полиэтиленовой кассете, (в уже существующих приборах были в воздушной кассете). В результате проведенной работы была создана новая модель детектора, позволяющая достаточно успешно восстанавливать энергетическое распределение потоков нейтронов в вышеуказанных энергетических диапазонах методом [31,38,42,75]. Данная модель детектора получила название МДП2. В диссертации приведены результаты расчетов функции чувствительности данной модели детектора и, для сравнения результаты эксперимента с радионуклидными источниками нейтронов, проведенного с использованием созданного детектора.
В заключительной части пятой главы рассматриваются о различные предложения по дальнейшей возможной модернизации приборов типа МДН. Во-первых, анализируется зависимость эффективности регистрации нейтронов от диаметра используемых счетчиков в приборе МДНІ. Затем рассматривается многодеткторный комплекс, созданный на основе прибора МДШ: комплекс обладает повышенной чувствительностью к радиоактивным материалам и используется для их обнаружения. Он со-
17 стоит из пяти однотипных детекторов, каждый из которых содержит регистрирующий слой из гелиевых счетчиков, помещенный между слоями замедлителя различной толщины, и пятислойного детектора нейтронов.
Автор выносит на защиту
1. Алгоритм и программу NEDSUM-2, содержащую следующие усовершенствования
существовавшей ранее программы NEDSUM:
реализована возможность расчета функции отклика многослойных детекторов для потоков нейтронов от различных источников,
реализован учет реальной геометрической конфигурации детектора.
2. Результаты расчетов по программе NEDSUM-2:
результаты расчетов функции отклика приборов МДШ, МДН2, РЯБИНА-4П на
потоки нейтронов с заданным угловым и энергетическим распределением,
результаты проверки данных, полученных по разработанной программе NEDSUM-2 на основе их сравнения:
с результатами расчетов по программам MCNP и ПРИЗМА (РФЯЦ ВНИИТФ), S с данными экспериментов с радионуклидными источниками нейтронов, проведенными в I ШИИТ, МИФИ, РФЯЦ BIІИИТФ, S с данными эксперимента С моноэнергетическими потоками нейтронов, проведенного на ускорителе ЭСУ-2.5 в РНЦ «Курчатовский институт».
3. Предложения по созданию прибора МДП2:
предложение по уменьшению толщины последнего замедляющего слоя на 25%, по сравнению с прототипом МДН1,
предложение по совершенствованию регистрирующей кассеты,
предложение по выбору новых толщин замедляющих слоев.
4. Исследование отклика прибора МДП2 при регистрации нейтронов от радионук-
лидных источников на основе данных экспериментов, проведенных в МИФИ и РФЯЦ ВНИИТФ, и расчетов, проведенных по программам NEDSUM-2, MCNP.
5. Предложения по дальнейшей модернизации МДИ
предложение по размещению в регистрирующих слоях счетчиков различных
диаметров,
18 предложение по конструкции многодетекторного комплекса.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлялись
на научных сессиях МИФИ с 1999 по 2005 год, и опубликованы в сборниках тезисов сессий (10 публикаций)
опубликованы в журнале «Приборы и техника эксперимента» (№3,2002)
представлены на научной конференции INMM 43rd Annual Meeting, 23 to 27 June 2002, Orlando, Florida, USA и опубликованы в трудах конференции.
опубликованы в журнале «Ядерные измерительно-информационные технологии» (№2 (14), 2005)
Методы идентификации и диагностики радиоактивных материалов по нейтронному излучению
Существующие методы идентификации и диагностики радиоактивных материалов, основанные на исследовании нейтронных полей, разделяются на две группы: активные и пассивные [79].
При использовании активных методов исследования изделий необходимы различные внешние источники нейтронного излучения. При взаимодействии этого излучения с различными элементами изделия происходит изменение первичного излучения и возникает дополнительное нейтронное излучение, регистрация которого позволяет проанализировать состояние изделия. Эти методы, как правило, обладают высокой чувствительностью и избирательностью [45,63,67]. Существенным недостатком активных методов является то, что при их использовании возможно повреждение зондируемого объекта. Эти методы также сложны в реализации, а аппаратура, реализующая эти методы достаточно громоздка и дорога.
Пассивные методы диагностики основаны на регистрации собственного нейтронного излучения исследуемого объекта. Эти методы отличаются относительной простотой, сравнительно низкой стоимостью, отсутствием опасности повреждения исследуемого объекта, высокой надежностью и, в ряде случаев, высокой информативностью. К недостаткам этих методов следует отнести большое время измерения спектральных и пространственных характеристик нейтронных полей исследуемого объекта. Также эти методы можно использовать на достаточно близких расстояниях от объекта (до 1-Зм) [43,50,67]. Однако, отмеченные недостатки во многих случаях не являются принципиальными и не могут служить серьезными ограничениями для ис 28 пользования этих методов при проведении диагностических исследований ядерных материалов. Эффективность использования пассивных методов диагностики определяется, прежде всего, спектрометрическими и томоірафическими возможностями применяемой нейтронной регистрирующей аппаратуры. Кроме того, эта аппаратура должна быть достаточно компактной и мобильной. В настоящее время во многих лабораториях как в России, так и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию пассивной позиционно-чувствительной аппаратуры для обнаружения ядерно-активных материалов и определения места их локализации в объекте исследования [59,125].
Во всем мире для регистрации потоков нейтронов на ядерных установках широкое распространение получили пропорциональные счетчики, заполненные Не и окруженные защитой из полиэтилена. Данные счетчики относительно просты в эксплуатации и достаточно надежны. В данной диссертационной работе также описаны приборы, основанные на гелиевых счетчиках. Поэтому ограничимся рассмотрением приборов, основным регистрирующим компонентом которых являются счетчики, заполненные гелием-3. Эти приборы используются для регистрации нейтронного излучения, которые могут служить для решения поставленных выше задач.
Расположение гелиевых счетчиков при заданной геометрии детектора сильно влияет на эффективность регистрации нейтронов.
В работе [62] приведены результаты расчета зависимости эффективности от числа гелиевых счетчиков. Эти счетчики были размешены внутри полиэтиленового кольца высотой 1м. Диаметр счетчиков составлял 2,54 см, они были заполнены " Не под давлением 4 атм. Внутренний и внешний диаметры кольца были равны 17,8 и 38,1 см соответственно. Гелиевые счетчики были размещены равномерно по окружности диаметром 27,9 см. В качестве нейтронного источника брались моноэнергетические нейтроны с энергией равной 1 МэВ. Анализ полученных данных показал, что наибольшая эффективность регистрации данной сборки из 28 гелиевых счетчиков для нейтронов деления составляет 29%. В силу того, что гелиевые счетчики очень дороги, приходится искать компромиссное решение между стоимостью и суммарной эффективностью прибора. В результате было найдено компромиссное решение. Число счет 29 чиков было выбрано равным 16, а суммарная эффективность прибора уменьшилась до 10%.
В работе [ИЗ] описан направленный нейтронный зонд SNAP-II - простой и эффективный детектор нейтронов, предназначенный для работы в полевых условиях. Он состоит из полиэтиленового цилиндра, в котором параллельно его оси размещены два гелиевых счетчика диаметром 2,54 см и активной длиной 20 см. Диаметр цилиндра подобран для оптимальной регистрации нейтронов с энергией от 1 до 2 МэВ. Для поглощения фоновых, тепловых нейтронов поверхность цилиндра покрыта топким листом кадмия. Вдоль оси цилиндра имеется сквозной канал для размещения там ТВЭЛов, содержащих плутоний. С внешней стороны цилиндр окружен направленной защитой толщиной 5,7 см, которая обеспечивает угол обзора детектора, равный 120. Таким образом, с вешней стороны детектор похож на цилиндр, часть которого (по высоте цилиндра) как бы «срезана». Вес прибора равен 10 кг. Собственная эффективность регистрации нейтронов спектра деления составляет 17%. Этот прибор дает очень мало информации об энергетическом и угловом распределении потоков нейтронов, но в тоже время он часто используется для различных проверочных измерений, таких как: контроль содержания 240Ри в слитках металлического плутония (измерения выявили, что масса 24 1Ри в слитках варьировалась в диапазоне от 4.6% до 18.1%) [89]; S использование на установках по обогащению урана и контроль баллонов с UF& (регистрация нейтронов по реакции (а,п), т.к. основной излучатель альфа- частиц 2MV, причем степень интенсивности альфа- излучения зависит от параметров обогащения; при увеличении степени обогащения с 3 до 90% интенсивность нейтронного фона возрастает в 30 раз), детектор размещался в центре боковой стенки баллона [123]; S измерение отложений ядерных материалов (хорошо подходит для соединений плутония, а для регистрации урана он должен быть обогащен и находиться в матрице, содержащей легкие элементы для обеспечения реакции (сс,п)) [108,114,124]; S использование в качестве мониторов внутри хранилищ и производств [91,97].
Другим прибором, который широко используется в для регистрации нейтронов, является плоская сборка из гелиевых счетчиков, расположенных параллельно друг другу в полиэтиленовой кассете. Толщина полиэтилена выбирается обычно оптимальной для регистрации нейтронов спектра деления, и для стандартной для США пластины толщиной 10,2 см составляет 4,6 см перед гелиевыми счетчиками и 5,6 см. за ними. Плоский детектор может работать как с внешней направленной защитой, так и без нее, и обеспечивает большую суммарную чувствительность, чем детектор SNAP-II. Данные детекторы широко используются при производстве высокообога-щенного урана на установках с центрифужным разделением изотопов урана для контроля уровней потоков нейтронов в UF6. Детектор состоит из 11 гелиевых счетчиков, расположенных, в полиэтиленовой пластине толщиной 10,2 см в шахматном порядке. С лицевой стороны пластина покрыта тонким листом из кадмия и полиэтиленом толщиной 1,3 см., а с боковых сторон - толстыми полиэтиленовыми блоками для отсечения тепловых нейтронов [62]. В нашей стране для аналогичных целей с успехом применяются приборы похожей конфигурации типа СРП созданные в НИИИТ [54,55].
Широкое распространение получили детекторы с 4л геометрией. В них телесный угол регистрации нейтронов составляет 4л. Установка представляет собой рабочую камеру, которая со всех сторон окружена гелиевыми счетчиками. Данный тип установок имеет по сравнению с плоскими детекторами более высокую эффективность регистрации нейтронов. В качестве примера, можно рассмотреть счетчик с 4л геометрией, применяемый для анализа концевых обрезков в процессе изготовления ядерного топлива. Концевые обрезки состоят на 75% из низкообогащеиного урана. Их вес обычно равен 320 кг, они загружаются в детектор с помощью специального механиз-ма. Активность образцов обусловлена спонтанным делением U. Счетчик полностью автоматизирован. Время измерений равно 1000 с, статистическая сходимость результатов к предсказанному значению для эталона была меньше 1% [121].
Исследование программы на основе результатов расчетов проведенных во ВНИИТФ
Подпрограмма STEPNEW моделирует прохождение нейтрона через ряд гелиевых счетчиков, расположенных в замедлителе. В качестве модели счетчика выбран составной цилиндр, состоящий из различных веществ, которые расположены как в конструкции реального счетчика (воздушный зазор, нержавеющая сталь, газ-наполнитель Не-3) (
В подпрограмме STEPNEW количество счетчиков в слоях и их диаметр не являются фиксированными величинами, а берутся из файла данных. Это позволяет решать различные задачи исследования характеристик и оптимизации конструкций детектирующих устройств.
Розыгрыш истории состоит из нескольких этапов. Сначала определяется точка попадания частицы в детектор (хО, уО, zO) и ее энергия. На основе начальных углов направления полета нейтронов, рассчитываются направляющие косинусы полета частицы (CosX, CosY, CosZ), вспомогательные углы (Teta2, Gamma), константы и управляющие "флаги" для дальнейших расчетов. По полученным данным рассчитывается длина свободного пробега R нейтрона в веществе, остаточная часть которого в дальнейшем модифицируется (см. формулу (3.7)), если произошло изменение вещества. Далее определяется слой детектора, в который попала частица. Если он является детектирующим (т.е. содержит гелиевые счетчики), то рассчитывается расстояние от частицы до ближайшего "цилиндра-счетчика" и параметры взаимодействия с веществом внутри слоя. Если нейтрон попал в счетчик, то определяется вероятность поглощения в счетчике (по формуле (3.15)), и путем изменения статистического веса учитывается регистрация частицы.
Если нейтрон попал в замедлитель, то разыгрываются дополнительные пробеги частицы до тех пор, пока она не попадет в счетчик, или не поглотится в замедлителе, или не покинет детектор. В программе это реализовано с помощью установки соответствующих "флагов". 3.1.2.2 Подпрограмма STEPDEF,
Подпрограмма STEPDEF моделирует прохождение нейтрона через ряд счетчиков, расположенных в замедлителе, аналогично программе STEPNEW. Однако, в данную модель детектора добавлен защитный экран (дополнительный слой замедлителя, окружающий детектор со всех сторон, кроме передней грани). Задание геометрических размеров защитного экрана, состава веществ, из которого он состоит, и их физических свойств, для моделируемой системы детекторов реализуется дополнительным набором параметров. Задаются толщина защитного экрана по осям X, Y, Z; тип вещества из которого он состоит; дополнительные габаритные размеры детекторного блока, учитывающие наличие защитного экрана.
В данной подпрограмме дополнительно разыгрывается взаимодействие частицы с веществом защитного экрана, а в остальном, розыгрыш историй аналогичен расчету по подпрограмме STEPNEW. В данной главе описана программа NEDSUM-2, разработанная для моделирования многослойных детекторов со сложной внутренней конфигурацией и приведены основные расчетные формулы.
Алгоритм программы NEDSUM-2 позволяет варьировать различные параметры задачи взаимодействия излучения с многослойными детекторами. Это обеспечивает возможность проведения исследований характеристик и оптимизации конструкций детекторов типа МДН.
Сначала проводилась проверка устойчивости разработанного алгоритма для программы NEDSUM-2. Для проверки устойчивости результатов расчета к начальным входным данным был проведен расчет зависимости чувствительности регистрирующих слоев детектора типа МДН от различных начальных значений случайных чисел (раскачка результатов) для спектра нейтронов от источника Cf. Число историй -100000. Из результатов, представленных на рис. 4.1 видно, что данные изменяются незначительно, что свидетельствует о достаточной устойчивости использованного алгоритма расчета.
Зависимость чувствительности регистрирующих слоев детектора типа МДН от различных начальных значений случайных чисел (раскачка результатов) для спек-тра нейтронов источника от Cf.
В РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск) по заданию МИФИ при помощи программного комплекса «ПРИЗМА» [39,40], проводились работы по моделированию отклика моделей многослойных структур. Результатами расчетов являлись функции, ото 73 бражающие количество реакций Не(п,р)Т в расчете на один нейтрон, падающий на лицевую поверхность детектора.
Рассчитывались две конфигурации детектора (бесконечные плоские слои полиэтилена, чередующиеся с плоскими слоями гелия (рис. 3.1) и объемная модель представленная на рис. 4.2. Расчеты проводились для различных спектров падающих нейтронов; равномерного спектра (равномерного по всей энергетической шкале от О до 14.5 МэВ); и спектра от источника ZS2Cf.
С целью сопоставления с полученными результатами расчетов, в МИФИ проводились вычисления при помощи программы NEDSUM-2 для моделей созданных во ВІІИИТФ. Однако, вместо бесконечной, плоской модели рассчитывалась плоская модель ограниченная определенными размерами. Объемные счетчики заменены плоскими слоями, которые совпадают с представленными на рис. 4.2.
На рисунках 4.3 (ВНИИТФ) и 4.4 (МИФИ), приведены числа реакций 3Не(п,р)Т в регистрирующих слоях для плоской модели детектора (источник с равномерным спектром). По оси абсцисс - энергия падающего нейтрона, по оси ординат — число отсчетов в слое на один падающий нейтрон (на левую поверхность детектора). В силу того, что в модели плоского детектора, созданной в МИФИ, использовались конечные размеры слоев, а в расчетах В] ІИИТФ использовались бесконечные плоские слои из полиэтилена, представленные графики имеют разные значения числа реакций Не(п,р)Т. Однако общий вид получившихся кривых одинаков, что может говорить о корректности проведенных расчетов.
Вероятность обнаружения делящихся материалов в стандартных транспортных контейнерах при помощи МДШ
После создания макетных образцов детекторов МДІІ1.01 и МД] 11.02 проводилось исследование зависимости чувствительности регистрирующих слоев этих приборов от энергии нейтронов на линейном ускорителе заряженных частиц ЭСУ-2.5 в РЇІЦ «Курчатовский институт». В процессе проведения эксперимента измерялись чувствительности отдельных слоев и суммарная чувствительность МДІІ1 при регистрации моноэнергетических потоков нейтронов, В ходе экспериментов использовались мишени \Li, \Т и ]D толщиной slO кэВ по протонам. Моноэнергетические пучки нейтронов получались по 4-м реакциям:
Энергии моноэнергетических нейтронов, полученных в этих реакциях, изменялись от 7 кэВ до 18,5 МэВ. Экспериментальные данные [26] сравнивались с результатами проведенных ранее расчетов. Па основе полученных результатов была составлена матрица чувствительности МДШ - 5, - (см. Глава 2, формула (2.2)). Также данный эксперимент служил мерой тестирования программы NEDSUM-2, так как проверялась корректность работы созданных на основе этой программы устройств. В случае согласия результатов расчетов с данными эксперимента можно сделать вывод о том, что физические законы взаимодействия нейтронного излучения с многослойными детекторами сложной внутренней структуры описаны в NEDSUM-2 правильно, и программа может послужить основой, как для оптимизации существующих детектирующих устройств, так и для создания новых, с заданными характеристиками. В расчетном эксперименте моделирование проводилось для точечного источника, расположенного на расстоянии 150 см от лицевой поверхности детектора. Именно на таком примерно расстоянии располагался детектор от источника моноэнергетических нейтронов. Расчетные зависимости были получены для потока моноэнергетических нейтронов в 28-ми групповом приближении БНАБ-81. Этот расчетный эксперимент описан в работах [26,28].
Полученные расчетные и экспериментальные данные представлены на рис. 4.13 - 4.17. Из этих рисунков видно, что расчетные данные незначительно отли 85 чаются от экспериментальных. Максимальное различие не превышает 10% в области высоких энергий. Превышение расчетных данных над экспериментальными можно объяснить следующими соображениями. В расчетной модели заложено, что регистрация нейтронов в счетчиках происходит всегда, когда взаимодействие нейтрона с веществом происходит внутри счетчика. В реальной ситуации импульсы, создаваемые нейтронами, могут быть ниже порога регистрации счетчика. Кроме того, расхождение расчетных данных с экспериментальными может быть связано с тем, что в расчете учитывалось только полное сечение взаимодействия, сечения упругого и неупругого рассеяний и сечение захвата. Резонансная структура уровней не учитывалась. Угловое распределение рассеянных нейтронов в системе центра инерции принималось изотропным для всех элементов. Более точные расчетные данные в области высоких энергий можно получить, если учесть другие процессы, которые возможны при данных энергиях нейтрона и краевые эффекты в счетчиках. Также возможно некоторое искажение экспериментальных данных из-за различных неучтенных поправок.
Для дополнительной проверки программы NEDSUM-2 проводилось моделирование взаимодействия моноэнергетических плоскопараллельных потоков нейтронов с МДІП при помощи универсальной программы MCNP. Плоскопараллельный поток нейтронов был выбран для уменьшения требуемой статистики при заданной точности результата. Из графиков, представленных на рис. 4.13 - 4.17 видно, что расчетные данные по программам NEDSUM-2 и MCNP достаточно хорошо согласуются между собой. Однако расчетные данные, полученные по программе MCNP лучше аппроксимируют результаты эксперимента. Это объясняется тем, что MCNP - универсальная программа, оттестированная на большом количестве различных ядерно-физических установок. В тоже время, общая форма расчетных кривых одинакова. Поэтому можно сделать вывод о том, что физика взаимодействия нейтронного излучения и геометрический модуль, описывающий внутреннюю структуру МДІІ1, реализованы в программе NEDSUM-2 правильно и её можно использовать как для исследования или оптимизации существующих, так и для создания новых многослойных детектирующих устройств в диапазоне энергий нейтронов от 0 до 20 МэВ.
Эксперимент [70], проведенный в МИФИ при участии диссертанта аналогичен эксперименту [69], проведенному в НИИИТ (см. параграф 4.1.3). Схема эксперимента по определению чувствительности S детектора МДН1 к быстрым нейтронам представлена на рис 4.18. Источник быстрых нейтронов устанавливался на расстоянии 2 м от геометрического центра регистрирующей поверхности детектора. В качестве источника быстрых нейтронов использовался 252С/. Как и в НИИИТ, для учета вклада рассеянного излучения эксперимент проводился с теневым конусом и без конуса. Конус был изготовлен из борированного полиэтилена и перекрывал только регистрирующую поверхность МДН.
Моделирование функции отклика нейтронного детектора для счетчиков различных диаметров
С помощью созданной программы NEDSUM-2 проводились расчеты, результаты которых сравнивались с результатами как расчетов по другим различным программам, так и экспериментов, проведенных в МИФИ, РФЯЦ ВПИИИФ, ІІИИИТ.
Результаты расчетов по программе NEDSUM-2 согласуются в пределах от I до 10% с результатами расчетов полученных при помощи универсальной программой «ПРИЗМА», созданной во ВНИИТФ и предназначенной для моделирования характеристик различных ядерных изделий.
Программа NEDSUM-2 послужила основой для создания двух макетных образцов МДН1 (МДІІ1.01 и МДН1.02), различающихся толщинами слоев замедлителя. После создания приборов в НИИИТ проводилось исследование их отклика на поток нейтронов от источника M2Cf. Также в МИФИ и РФЯЦ ВНИИТФ проводилось исследование отклика приборов на потоки нейтронов от радионуклидных источников. Сравнение экспериментального отклика с расчетным, полученным на основе NEDSUM-2, показало, что экспериментальные и расчетные данные согласуются в пределах от 1 до 15%.
Проводилась калибровка макетных образцов МДШ.0Ї и МДН1.02 на ускорителе ЭСУ-2.5 в РІІЦ «Курчатовский институт» при помощи мопоэнергетичсских потоков нейтронов. Экспериментальные данные сравнивались с ранее полученными расчетными по программе NEDSUM-2. Эксперимент на ускорителе моделировался также при помощи программы MCNP. Наблюдается хорошее согласие расчетных данных, как между собой, так и с результатами эксперимента в пределах от 1 до 10%.
Па основе этих сравнений можно сделать вывод о том, что программу NEDSUM-2 можно использовать как для исследования и оптимизации существующих, так и для создания новых многослойных детектирующих устройств нейтронного излучения в диапазоне энергий нейтронов от 0 до 20 МэВ.
В данной главе представлены также результаты моделирования детектирующих устройств МДН1 и «РЯБИНА-4П», которые можно суммировать следующим образом. зависимости чувствительности регистрации нейтронов от их энергии для прибора «РЯБИНА-4П» имеют различный вид для двух детектирующих слоев модуля; это различие позволяет использовать данный детектор для грубой оценки энергетического спектра потока нейтронов в космосе; угловая зависимость чувствительности прибора МДІІІ обладает анизотропией; однако в пределах углов ±50 от перпендикуляра к лицевой грани детектора анизотропия не так велика и отношение чувствительностей регистрирующих слоев остается постоянной величиной; поэтому в пределах этих углов возможно восстановление спектров нейтронных источников по взаимному отношению откликов слоев детектора; оценка возможности регистрации прибором МДІИ скрыто-провозимого деля-щегося материала массой 1 кг состава Ри - 90%, Ри - 10%, показала, что при заполнении контейнеров средой с низким содержанием водорода, достоверность наблюдаемого сигнала от ДМ очень высока, худшем случае находится в на уровне 24-х стандартных отклонений, что соответствует обнаружению 530 г ДМ с вероятностью За, а если контейнер заполнен средой с высоким содержанием водорода, то обнаружение ДМ проблематично. Одной из основных задач диссертационной работы была задача по оптимизации конструкции разработанных многослойных нейтронных детекторов. При создании нового прибора в целях минимизации его массово-габаритных характеристик были проведены расчетные исследования по оптимизации толщины заднего (последнего) слоя замедлителя. В детекторе МДН 1.01 толщина заднего слоя замедлителя составляет 11 см. Толщина последнего слоя варьировалась в пределах 5-11 см с шагом 0.5 см. Полученные результаты представлены на рис. 5.1. Анализ этих данных показывает, что толщину шестого слоя замедлителя можно уменьшить до 7,5 см практически без уменьшения суммарной чувствительности. Масса замедлителя при этом уменьшится на 3 кг. В процессе модернизации прибора МДШ и создания на его основе нового прибора МДП2 учитывались предложения, указанные в разделе 4.5. Кроме того, проводились исследования по следующим по двум направлениям. Во-первых, решалась задача уменьшения стоимости детектора за счет уменьшения количества счетчиков в слоях детектора. Общее количество счетчиков СИ14-П в слоях детектора типа МДШ составляет 16x5=80 шт. При уменьшении количества счетчиков в слоях детектора желательно сохранить общую высокую чувствительность детектора. При этом была рассмотрена возможность использования гелиевых счетчиков других типов и, в частности, счетчиков с давлением газа 10 атм. Толщины замедляющих слоев оставались такими же, как в модели прибора МДН1.0І. При этом решалась еще одна проблема, ибо в счетных слоях счетчики располагались вплотную и поэтому экранировали друг друга. Уменьшая количество счетчиков мы уменьшаем эффект экранировки.
Во-вторых, было необходимо повысить разрешающую способность детектора для более оптимального распознавания исследуемых спектров. Для этого энергетический диапазон был разбит на новые группы, и был проведен расчет матрицы откликов МДІI для новых энергетических групп. Кроме того, был рассмотрен вариант размещения гелиевых счетчиков в полиэтиленовых кассетах, а не в воздушных, т.к. полиэтилен кассеты является «источником» тепловых нейтронов [15,22,27,38]. 5.1.2 Уменьшение количества счетчиков, повышение давления
По программе NEDSUM-2 было проведено моделирование с использованием зависимости чувствительности регистрации нейтронов слоями детектора от количества счетчиков в кассете для нейтронов со спектром спонтанного деления от источника И2С1 Принималось, что счетчики находятся в кассете и разделены между собой воздушной прослойкой. График зависимости чувствительности представлен на рис. 5.
