Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка системного подхода к автоматизации физических измерений и экспериментальных установок 19
1.2. Создание инструментальной базы для ядерно-физических измерений на ускорителях ВНИИЭФ 20
1.2.1. Быстрый зарядочувствительный усилитель для ядерных детекторов 20
1.2.2. Концепция организации физических экспериментов на базе микроЭВМ 22
1.2.3. Аппаратура и базовое программное обеспечение для организации ядерно-физических экспериментов на базе ПК 32
1.2.4. Применение созданной инструментальной базы 35
1.3. Создание аппаратуры и базового программного обеспечения для автоматизации тритиевых комплексов на ускорителях ОИЯИ 43
1.3.1. Выбор концепции и разработка специальной аппаратуры 43
1.3.2. Программный пакет для разработки систем контроля и управления 51
1.3.4. Применение разработанной базы в задачах автоматизации установок 53
1.4. Выводы 55
2. Создание спектрометрических комплексов для времяпролетных исследований на ускорителе ЛУ-50 56
2.1. Физические измерения на времяпролетном комплексе ускорителя ЛУ-50 56
2.2. Разработка спектрометрического комплекса для измерений средней множественности нейтронов 59
2.2.1. Особенности постановки измерений средней множественности 59
2.2.2. Спектрометрический комплекс для измерений vp(E„) 62
2.2.3. Результаты измерений vp(E„) 71
2.3. Разработка и применение спектрометрического комплекса для времяпролетных измерений сечений деления 72
2.4. Времяпролетные измерения функций пропускания нейтронов 75
2.5. Выводы 82
3. Автоматизация ядерно-физических исследований на электростатическом перезарядном ускорителе ЭГП-10 84
3.1. Аппаратурные комплексы для измерения сечений реакций на легких ядрах ., 84
3.1.2. Аппаратурный комплекс для измерения дифференциальных сечений ядерных реакций 87
3.1.3. Аппаратурный комплекс для измерений полного сечения реакции 9Be(d,t) по вторичной активации 90
3.2. Применение разработанных комплексов для изучения реакций на бериллии 92
3.3. Разработки для измерения характеристик деления тяжелых ядер 96
3.3.1. Измерения энергетических спектров осколков спонтанного деления 242Ст и вынужденного деления 242тАт быстрыми нейтронами 96
3.3.2. Методические и аппаратурные разработки для исследования ЗН при делении тяжелых ядер заряженными частицами 101
3.4. Выводы 112
4. Разработка и применение систем контроля и управления тритиевого мишенного комплекса установки ТРИТОН 114
4.1. Мюонный катализ ядерных реакций и установка ТРИТОН для изучения МК в смесях изотопов водорода 114
4.2. Системы контроля и управления для тритиевого комплекса и мишеней установки ТРИТОН 117
4.3. Результаты экспериментов на установке ТРИТОН 131
4.4. Выводы 139
5. Автоматизация комплексов тритиевого пучка и тритиевой мишени для экспериментов на циклотроне У-400М 140
5.1. Постановка экспериментов по изучению легких нейтронію-избыточных ядер с использованием тритиевого пучка и жидкой тритиевой мишени 140
5.2. Автоматизированный комплекс для подачи ИВ в ионный источник циклотрона и комплекс жидкой тритиевой мишени 141
5.3. Применение разработанных систем ирезультаты экспериментов 156
5.4. Выводы 158
Заключение 159
Список использованных источников 163
- Аппаратура и базовое программное обеспечение для организации ядерно-физических экспериментов на базе ПК
- Разработка и применение спектрометрического комплекса для времяпролетных измерений сечений деления
- Измерения энергетических спектров осколков спонтанного деления 242Ст и вынужденного деления 242тАт быстрыми нейтронами
- Системы контроля и управления для тритиевого комплекса и мишеней установки ТРИТОН
Введение к работе
Всероссийский НИИ экспериментальной физики (ныне РФЯЦ-ВНИИЭФ) был организован для решения вполне определенной основной задачи - создания ядерного и термоядерного оружия. Важную роль в решении этой задачи играли ядерно-физические исследования. В статье С.Н.Абрамовича и др. [1] дан краткий исторический обзор развития во ВНИИЭФ экспериментальных работ в области ядерной физики.
На начальном этапе создания атомных и термоядерных зарядов во ВНИИЭФ был проведен огромный объем работ по измерению ядерно-физических констант (ЯФК) материалов, необходимых для их конструирования: делящихся изотопов, легких ядер, конструкционных материалов. Для этого был создан парк физических установок - нейтронные трубки, электростатические ускорители, линейные ускорители, исследовательские ядерные реакторы.
На начальном этапе особый интерес представляли сечения деления ядер,
среднее число мгновенных нейтронов, 'испускаемых на акт деления и спектры
нейтронов деления. С середины пятидесятых годов под
руководством Ю.С. Замятнина интенсивно велись работы по измерениям спектров нейтронов деления и средней множественности при делении 23iU и 238U нейтронами с энергией 14МэВ [2], исследовались угловые распределения нейтронов деления и распределения осколков деления по массам. Впоследствии на сферическом 471-спектрометре Ю.А. Васильевым и др. были проведены исследования спонтанного деления ядер 252Cf и 244Ат [3], в которых измерялись спектры нейтронов деления, энергии и массы парных осколков.
Отдельное направление работ представляли исследования ЯФК для трансурановых элементов (ТУЭ). Интерес к этим измерениям был вызван, с одной стороны, их возможным использованием в качестве ядерного топлива, а с другой стороны - проблемой трансмутации радиоактивных отходов ядерной энергетики [4]. Проведение таких измерений обеспечивалось наличием соответствующей ускорительной базы и возможностью получения высокообогащенных образцов ТУЭ на масс-сепараторе С-2 ВНИИЭФ [5], специально спроектированном для разделения
изотопов тяжелых радиоактивных элементов. Кроме того, наряду с ускорительными установками и реакторами во ВНИИЭФ для проведения подобных исследований был доступен и источник нейтронов с уникальными свойствами - ядерный взрыв.
Первые систематические исследования сечений деления изотопов плутония, америция и кюрия были проведены во ВНИИЭФ группой Э.Ф. Фомушкина на различных источниках нейтронов, в том числе и на нейтронах ядерного взрыва. Этой группой при непосредственном участии автора был разработан аппаратурный комплекс для времяпролетных измерений сечений деления на ядерном взрыве [6, 7] и выполнены измерения для высокоактивных изотопов 239,240Pu, 242m'243Am, ' ' ' ' ' Cm. Все полученные результаты были опубликованы в журналах "Атомная энергия" и "Ядерная физика", библиография опубликованных работ приведена в обзорной работе [8].
Что касается измерений ЯФК ТУЭ на ускорителях, то в 60-е годы на линейном ускорителе электронов MB-15 [9] (энергия электронов ~17 МэВ, частота повторения импульсов 2000 Гц, длительность 30 не, „=0,8-^6 МэВ) Ю.А. Хохловым, М.В, Савиным и др. была выполнена большая программа измерений энергетической зависимости средней множественности мгновенных нейтронов vp(En) для 235U,2 8U, 237Np, 239Pu и 240Pu [10, 11]. Однако недостаточно высокий поток нейтронов из мишени ускорителя MB-15 не позволял проводить измерения vp(En) на миллиграммовых образцах ТУЭ.
В 1981 г. во ВНИИЭФ был введен в эксплуатацию линейный сильноточный
ускоритель электронов периодического действия ЛУ-50 [12], предназначенный для
решения широкого круга научных и прикладных задач. На этом ускорителе
коллективом специалистов при непосредственном участии автора была выполнена
большая программа измерений средней множественности мгновенных
нейтронов vp(Ea) и сечений деления <7f{E„) ядер высокоактивных ТУЭ.
Что касается легких ядер, то с момента создания во ВНИИЭФ велись работы в области физики малонуклонных систем. В первую очередь это, конечно, изучение реакций, которые могут использоваться для получения термоядерной энергии. Наряду с основными реакциями 3Н(^,и)4Не,2Н(<м)3Не, 2H(d,pfH [13,14] изучались
реакции взаимодействия ускоренных протонов, дейтронов и тритонов с ядрами 6Li, 7Li,9Be[15].
В лаборатории электростатических ускорителей ядерно-физического отдела ВНИИЭФ были созданы ускорители Ван де Граафа ЭГ-2 и ЭГ-5, которые обеспечивали пучки ускоренных ионов протия, дейтерия и трития в диапазоне энергий от 50 кэВ до 5 МэВ и ионов 4Не и 3Не до 10 МэВ. На этих ускорителях был выполнен большой объем измерений ядерно-физических констант и исследований в области ядерной спектроскопии. После введения в строй в 1962 г. электростатического ускорителя с перезарядкой ЭГП-10 центр тяжести исследований переместился на эту установку, которая существенно расширила диапазон энергий ускоряемых ионов изотопов водорода (ИВ).
В связи с успехами в создании установок для управляемого термоядерного синтеза (УТС) [16], в которых достигаются высокие температуры плазмы, требования к энергетическому диапазону при изучении реакций на легких ядрах расширились. При этом появилась также необходимость в получении и уточнении данных для реакций, которые могут использоваться для наработки трития, в том числе реакций на бериллии. В проекте ITER [17, 18] бериллий планируется использовать для покрытия внутренней поверхности рабочей камеры. В связи с этим требуются данные о взаимодействии дейтронов не только с тритием, но и с 9Ве, а также 3Не, 6'71л за счет вторичных реакций. С точки зрения наработки трития наиболее важными являются полные сечения образования тритонов при взаимодействии дейтронов с ядрами 6,7Li и 9Ве.
В последние годы большое внимание уделяется вопросам создания экологически чистой безотходной ядерной энергетики. Один из реальных подходов к решению этой проблемы состоит в создании установки и соответствующей технологии для преобразования (трансмутации) радиотоксичных отходов ядерной энергетики в нерадиотоксичные. Приемлемость различных концептуальных вариантов установки во многом определяется точным знанием ядерно-физических констант материалов, определяющих компоновку мишени, бланкета и внешнего контура. Важную роль при этом играют данные о выходах короткоживущих источниках запаздывающих нейтронов (ЗН) при делении составных ядер " Ра,
Np. Исследование большинства этих составных ядер в реакциях изотопов Ра и Np с нейтронами практически невозможно - очень малы времена жизни этих изотопов. Однако для решения этой задачи может быть применен развиваемый в ядерно-физическом отделении ВНИИЭФ (ныне Институт ядерной и радиационной физики ВНИИЭФ) альтернативный метод измерений, основанный на получении составных ядер 233'235Ра, 236"24,Np в реакциях ядер 232Th, 235'238и с пульсирующим пучком протонов, дейтронов или тритонов.
В начале 90-х годов начало интенсивно развиваться сотрудничество между РФЯЦ-ВНИИЭФ и Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) в области исследований мюонного катализа (МК) ядерных реакций и исследований структуры экзотических легких ядер и ядерных систем, находящихся на границе нейтронной стабильности.
История экспериментальных исследований МК началась в 1957 г. с отрытия Л.Альвареса [19], который в эксперименте с пучками К-мезонов с большой примесью мгоонов, проводившемся па большой жидкодейтериевой пузырьковой камере, неожиданно увидел несколько событий МК в цепочке реакций pfi-^dfi-^pd/л-^ He+fS. В дальнейшем экспериментальные исследования процессов МК проводились во многих лабораториях мира, при этом значительная часть данных в этой области была получена в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ под руководством В.П. Джелепова. В частности, в экспериментах с газовыми мишенями высокого давления в Дубне было открыто новое явление - резонансное образование молекулы ddp. [20]. Оказалось, что скорость образования dd\i -молекул зависит от температуры; в частности, при температуре 380 К она на порядок величины больше, чем в жидком дейтерии. Объяснение этому явлению было предложено Э.А. Весманом [21], работавшим в это время в Дубне под руководством С.С. Герштейна.
Теоретические расчеты [22], выполненные группой Л.И. Пономарева, предсказывали, что в DT-смеси число циклов МК, инициируемых одним мюоном, равно -100. Экспериментальные работы по проверке этого предположения велись практически на всех установках, способных получать мезоны: LAMPF (США), PSI (Швейцария), ЛИЯФ (Россия), КЕК (Япония), TRIUMF (Канада), RAL
(Великобритания) и ряде других. В Лос-Аламоской национальной лаборатории в экспериментах с дейтерий-тритиевыми мишенями высокого давления были получены рекордные выходы нейтронов (150±20) на один мюон.
В 1992 г. в теоретической работе [23] Л.И. Пономаревым и М.П. Файнманом было предсказано, что скорость резонансного образования <#,ц-молекулы в тройной H/D/T смеси в несколько раз выше, чем в бинарной D/T смеси. Для подтверждения этих теоретических предсказаний и нахождения оптимальных условий протекания МК в смеси H/D/T потребовалось проведение систематических исследований. Для решения этой задачи в 1995 г. в низкофоновой лаборатории фазотрона ЛЯП ОИЯИ началось создание установки ТРИТОН, предназначенной для исследования процессов МК реакций синтеза в смесях ИВ в широком диапазоне температур, давлений и концентраций.
Одной из важных частей установки, без которой невозможно проведение намеченных исследований, был радиационно-безопасный комплекс для работ с тритием. Задача создания такого комплекса и мишеней для экспериментов по МК решалась коллективом специалистов ВНИИЭФ, имеющих большой опыт разработок в области тритиевых технологий.
В Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) им. Т.Н. Флерова ОИЯИ традиционно ведутся исследования в одной из самых современных областей современной ядерной физики — исследования свойств ядер вблизи границы нуклонной стабильности. Важное место в группе легких нейтронно-избыточных ядер занимают нуклонно-нестабильные изотопы водорода. Несмотря на почти сор окал еті ною историю исследований, на сегодняшний день экспериментальные данные о свойствах этих изотопов противоречивы, а в некоторых случаях практически полностью отсутствуют.
В рамках создания ускорительного комплекса радиоактивных пучков (проект DRIBs) было предусмотрено получение пучков молекулярных ионов изотопов водорода, включая тритий, что позволяло приступить к экспериментам по изучению резонансных состояний ядер Н и Н, образующихся в реакциях t+t—> H+d, t+d^>4H+p и /+*->5Н+р.
В 2000 г. в ЛЯР ОИЯИ совместно с ВНИИЭФ началась подготовка к экспериментам по получению и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4Н и 5Н на циклотроне У-400М. Для этих экспериментов требовалось обеспечить пучок ускоренных ионов трития и создать жидкую тритиевую мишень со стенками толщиной несколько микрон. Задача создания радиациопно-безопасного комплекса для подачи трития в ионный источник циклотрона и жидкой тритиевой мишени с уникальными свойствами решалась во ВНИИЭФ.
Качество и эффективность перечисленных выше исследований, относящихся к области ядерной физики низких энергий, в значительной мере определяются уровнем развития соответствующих методических и инструментальных средств. Важная роль в современном ядерно-физическом эксперименте отводится модульным системам регистрации, контроля и управления, неотъемлемой частью которых являются ЭВМ, оснащенные специальным программным обеспечением. В ядерно-физических измерениях на ускорителях ЛУ-50 и ЭГП-10 системы на основе модульных структур ядерного приборостроения предназначены для сбора, накопления и обработки экспериментальных данных. В экспериментах с использованием тритиевых мишеней и пучков автоматизированные системы должны обеспечивать управление оборудованием тритиевых комплексов, контроль и стабилизацию большого числа технологических параметров, мониторинг содержания трития в воздухе рабочей зоны установок и газовых коммуникациях. Автоматизированные системы должны соответствовать требованиям физического эксперимента с точки зрения объемов и точности регистрируемых данных, надежности и безопасности управления, уровня автоматизации процесса измерений и управления. Эти обстоятельства обуславливают важность данной работы, посвященной актуальной теме создания и применения систем регистрации, контроля и управления для фундаментальных и прикладных исследований в области физики низких энергий, проводимых на ускорителях ВНИИЭФ и ОИЯИ.
Целью диссертационной работы является создание и развитие общих концептуальных аппаратурных и методических подходов к проблеме автоматизации физических измерений и экспериментальных установок, создание базового
аппаратурного и программного обеспечения. Разработка на основе базовых средств систем регистрации, контроля и управления для исследований в области ядерной физики низких энергий и их применение в экспериментах на ускорителях ВНИИЭФ иОИЯИ.
При достижении поставленной цели ставились и решались следующие основные задачи:
Анализ и обобщение требований к системам регистрации для широкого круга ядерно-физических экспериментов на ускорителях ЛУ-50 и ЭГТЫО ВНИИЭФ и системам контроля, управления и безопасности для исследовательских тритиевых установок, предназначенных для экспериментов по изучению процессов МК и изучению нуклонно-нестабильных ядер Н и 5Н, проводимых на фазотроне и циклотроне У-400М ОИЯИ.
Выработка концептуальных методических, аппаратурных и программных подходов и решений, обеспечивающих высокий уровень автоматизации измерений и экспериментальных установок.
Создание соответствующей инструментальной среды, включающей набор базовой аппаратуры, специальные технические средства и базовое программное обеспечение.
Разработка, в рамках созданной инструментальной среды, автоматизированных спектрометрических комплексов для многопараметрического анализа и их применение в ядерно-физических и прикладных исследованиях на ускорителях ЛУ-50 и ЭГП-10 ВНИИЭФ.
Разработка высоконадежных автоматизированных систем контроля, управления и безопасности для комплекса подготовки газовой смеси и мишеней установки ТРИТОН, их создание и применение в экспериментах по изучению процессов МК в смесях ИВ в широком диапазоне температур, плотностей и концентраций.
Создание автоматизированных систем управления и безопасности для комплекса подачи ИВ в ионный источник циклотрона У-400М и комплекса жидкой тритиевой мишени. Применение разработанных систем для получения стабильного пучка ускоренных тритонов и длительной безопасной эксплуатации
мишеней в экспериментах по исследованию нуклонно-нестабильных ядер Н и 5Н, образующихся при взаимодействии тритиевого пучка с дейтериевой и тритиевой мишенями.
Научная новизна работ, вошедших в диссертацию, заключается в следующем:
Разработаны концептуальные и методические подходы, базовая аппаратура и базовое программное обеспечение для автоматизации физических измерений и установок, обеспечившие качественно новые возможности при создании систем регистрации, контроля и управления для научных исследований, проводимых на ускорителях ВНИИЭФ и ОИЯИ.
Впервые предложена оригинальная концепция регистрации и сохранения больших объемов спектрометрических данных в КАМАК-системах на базе микроЭВМ, на основе которой созданы спектрометрические комплексы, предоставившие принципиально новые возможности для время пролетных исследований ЯФК тяжелых ядер на ускорителе ЛУ-50, измерений дифференциальных сечений ядерных реакций и активационных измерений на ускорителе ЭГП-10.
Впервые созданы автоматизированные системы контроля, управления и безопасности для экспериментов по изучению МК ядерных реакций синтеза и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4Н и 5Н, обеспечивающие в условиях неспециализированных лабораторий высокий уровень безопасности и надежности при проведении экспериментов с большими количествами трития (вплоть до 10 кКи в свободном состоянии и до 100 кКи в связанном состоянии).
Применение предложенных подходов, аппаратуры и разработанных на их основе систем контроля, управления и безопасности позволило:
впервые в экспериментах с D/Т-смесями получить параметры цикла МК dt-реакции в широком диапазоне температур 20-800 К, плотностей 0,2-1,2 LHD (плотность жидкого водорода) и концентраций трития 15-86%;
получить первую экспериментальную оценку выхода реакции радиационного захвата дейтрона дейтроном из состояния J=l йИ//-молекулы на уровне т/у-2-Ю'5 на один акт синтеза;
уточнить данные по резонансным состояниям 4Н, а для ядра 5Н в спектре
энергий, полученном методом недостающей массы, впервые обнаружить
резонансное состояние с энергией (1,8±0,1) МэВ.
Практическая ценность работы
Создана инструментальная среда, включающая набор базовой аппаратуры, специальные технические средства и базовое программное обеспечение, которая широко востребована при разработке систем регистрации, контроля и управления для экспериментов, проводимых во ВНИИЭФ, ОИЯИ, СПбГУТ, СПбГУ, МГУ и ЦЕРН по различным программам научных исследований.
Разработана сертифицированная Государственным комитетом Российской Федерации по стандартам и метрологии радиометрическая аппаратура, предназначенная для контроля объемной активности трития и анализа молекулярного и изотопного состава смеси ИВ, которая используется во ВНИИЭФ, ОИЯИ, ПО "Маяк" и других организациях.
Созданные спектрометрические комплексы применялись при выполнении ядерно-физических и прикладных исследований на ускорителях ЛУ-50 и ЭГП-10 - во времяпролетных исследованиях средней множественности и сечений деления ядер трансурановых изотопов, измерениях энергетической зависимости пропускания нейтронов, измерениях дифференциальных сечений ядерных реакций, активационных измерениях, измерениях выходов запаздывающих нейтронов. С их помощью получены следующие физические результаты:
в диапазоне энергий нейтронов от десятков кэВ до 15-20 МэВ измерены средние множественности нейтронов деления ядер 235U, 237Np, 240Pu, 242Pu, 241Am, 243Am, 245Cm и сечения деления ядер 245-246-247Cm;
в диапазоне энергий дейтронов от 3 до 12 МэВ изучено упругое рассеяние дейтронов на ядрах 9Ве, измерены сечения каналов реакций 9Be(d,p) и 9Ве(б?,ґ0), полные сечения образования тритонов в реакции 9Ве(^,/).
4. Системы автоматизированного контроля, управления и безопасности комплекса
подготовки газовой смеси и мишеней установки ТРИТОН применялись при
выполнении большой программы научных исследований, позволившей:
получить параметры процесса МК в широком диапазоне температур, плотностей и концентраций ИВ для тройной H/D/T смеси, двойной D/T смеси, дейтерия и трития;
провести эксперимент по измерению выхода реакции радиационного захвата в с^ц-молекуле на дейтериевой мишени высокого давления.
Автоматизированные системы управления подачей ИВ в ионный источник циклотрона У-400М, управления комплексом жидкой тритиевой мишени и радиометрического контроля обеспечили получение пучка ускоренных тритонов с энергией 58 МэВ и безопасное проведение экспериментов на дейтериевой и тритиевой мишенях. С применением разработанных систем исследованы резонансные состояния нуклонно-нестабильных ядер 4Н и 5Н.
Применение разработанных подходов, аппаратурных и программных решений способствовало получению экспериментальных данных необходимого объема и точности - результаты измерений ЯФК для легких и тяжелых ядер вошли в библиотеки и базы ядерных данных, результаты измерений параметров МК имеют важное практическое значение для решения задач проектирования мюон но-каталитического гибридного реактора и интенсивного источника нейтронов на базе МК.
На защиту выносятся следующие положения и результаты
Концептуальные и методические подходы, базовые аппаратурные и программные решения и инструментальная среда для автоматизации физических измерений и экспериментальных установок для исследований в области физики низких энергий, проводимых на ускорителях ВНИИЭФ и ОИЯИ.
Спектрометрические комплексы для измерений средней множественности и сечений деления ядер трансурановых изотопов, дифференциальных сечений реакций на легких ядрах и активационных измерений на ускорителях ЛУ-50 и ЭГП-10.
Результаты методических и аппаратурных разработок для измерений функций пропускания нейтронов через толстые слои материалов на линейном ускорителе
ЛУ-50 и измерений выходов запаздывающих нейтронов при делении тяжелых ядер прерывистым пучком заряженных частиц на ускорителе ЭГП-10.
4, Разработка и создание не имеющих аналогов в мировой практике
автоматизированных систем контроля, управления и безопасности для тритиевых
комплексов исследовательских установок, предназначенных для экспериментов
по изучению МК ядерных реакций и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4Н
и 5Н.
5. Результаты экспериментов по изучению параметров МК в дейтерии и D/T смеси
в широком диапазоне температур, плотностей и концентраций.
Личный вклад автора. К защите представлены работы, выполненные автором в
1982-2004 гг. в РФЯЦ-ВНИИЭФ и ОИЯИ. Начиная с 80-х гг. и по настоящее время
автором определяется направление развития систем автоматизации для сложных
спектрометрических экспериментов на линейном ускорителе ЛУ-50 и перезарядном
электростатическом ускорителе ЭГП-10 ВНИИЭФ и непосредственно создаются
такие системы. С 1995 г. автором развивается направление работ по автоматизации
установок в области тритиевых технологий. В рамках этого направления
разработаны системы контроля и управления тритиевых комплексов,
предназначенных для экспериментов по изучению МК ядерных реакций на фазотроне ЛЯП ОИЯИ и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4Н и 5Н на циклотроне У-400М ЛЯР ОИЯИ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем 178 страниц. Диссертация содержит 59 рисунков, 7 таблиц и список использованных источников из 155 наименований.
Аппаратура и базовое программное обеспечение для организации ядерно-физических экспериментов на базе ПК
Организацию работы с программой обеспечивал интерпретатор, который осуществлял обработку текстовых командных строк, вводимых с клавиатуры, из командных файлов или оперативной памяти. Командная строка имела следующую структуру, в которой фигурными скобками отмечены необязательные параметры Command - имя команды, которая может иметь до 2 аргументов; IQuals - список квалификаторов, разделенных символом (/), каждый из которых может иметь два аргумента; substring- символьная запись, обрабатываемая процедурой, вызываемой по команде Command.
Аргументами могут быть как числа (целые или вещественные), так и переменные, входящие в список переменных системы. Интерпретатор позволял реализовать достаточно полноценное прикладное программирование - допускалось создание и использование макропроцедур и подпрограмм, а также операторов циклов, условных и безусловных переходов. Кроме того, была предусмотрена диагностика ошибок, связанных с неправильной формой записи команд, некорректным использованием процедур и ошибками сетевого обмена данными.
Для написания прикладного программного обеспечения систем регистрации был разработан командный язык, ориентированный на описание КАМАК-аппаратуры и структуры спектрометрических данных, управление процессом измерений и выполнение вычислений со спектрометрическими данными. Средства языка позволяли практически полностью автоматизировать процесс измерений, включая предварительную "on line" обработку получаемых данных. Прикладная программа для конкретной системы регистрации представляла собой командный файл, загружаемый в ОЗУ микроЭВМ по сети.
Полная обработка спектрометрических данных, полученных в эксперименте, требует специального ПО и обычно выполняется на больших ЭВМ. Вместе с тем желательно проводить предварительную обработку, достаточную для первичного анализа результатов эксперимента, непосредственно на микроЭВМ. Для этих целей автором на базе программного ядра описанного выше была разработана программа для предварительной обработки спектрометрических данных, ориентированная на графическое отображение спектрометрической информации.
Программа обеспечивала следующие возможности обработки данных: настройку на структуру спектрометрических данных, хранящихся в файлах на дисках ЦЭВМ, и выборочное чтение данных из этих файлов; выполнение математических операций над спектрами (сложение, вычитание, умножение, деление, вычисление ряда функций - логарифм, экспонента, корень квадратный, абсолютное значение); поиск максимумов, минимумов и вычисление интегралов на заданных интервалах спектров; преобразование спектрометрических данных - инверсия, сдвиг по осям, линейные преобразования по осям, сглаживание; запись обработанных данных на диски ЦЭВМ. Многолетний опыт эксплуатации базового ПО, созданного автором для автоматизации спектрометрических экспериментов, показал, что его использование существенно (в несколько раз) уменьшало время разработки систем регистрации, обеспечивало набор больших объемов спектрометрических данных сложной структуры и их предварительную обработку, повышало качество полученной информации. 1.2.3. Аппаратура и базовое программное обеспечение для организации ядерно-физических экспериментов на базе ПК В начале 90-х годов началась замена парка морально и физически устаревших микроЭВМ персональными компьютерами (ПК). Следует заметить, что ПК оснащались графическими терминалами, высоконадежными жесткими дисками и обладали большим объемом оперативной памяти. Все это позволяло достаточно легко решить вопросы регистрации и сохранения больших объемов спектрометрических данных, а также их визуального наблюдения. Однако для организации спектрометрических измерений на базе ПК и КАМАК-аппаратуры требовались новая интерфейсная аппаратура и новое базовое ПО. В рамках решения этой задачи, по инициативе автора диссертации, были разработаны модули для сопряжения КАМАК и NIM-аппаратуры с ПК. К этому моменту во ВНИИЭФ уже был разработан 8-разрядный контроллер ПККЗ, предназначенный для решения задач автоматизации физических установок. Однако на ПК с 16-разрядной шиной он не обеспечивал требуемой скорости набора спектрометрических данных при работе по прерываниям. Промышленные крейт-контроллеры для ПК в этот период времени оказались практически недоступны, поэтому автором было инициировано создание нового 16-разрядного крейт-контроллера ПКК4, который был разработан в отделе электроники Института ядерных и радиационных исследований ВНИИЭФ.
Сравнительное тестирование крейт-контроллеров ПККЗ и ПКК4, проведенное на ПК класса 486/66 МГц, показало, что предельная скорость регистрации статистически распределенных импульсов при работе по прерываниям составляет для ПККЗ 2000 имп/с, а для ПКК4 -12000 имп/с. Высокая скорость сбора данных с на ПК с крейт-контроллером ПКК4 позволила реализовать спектрометрические системы с практически неограниченным объемом памяти под данные и возможностью совмещения функций сбора данных и их обработки.
В этот же период времени для кодирования сигналов с ядерных детекторов во ВНИИЭФ начали широко использоваться аналого-цифровые преобразователи (АЦП) серии 8700, выпускаемые фирмой Canberra. Для включения АЦП этой серии в спектрометрические КАМАК-системы был разработан специальный интерфейсный КАМАК-модуль. Этот модуль позволял подключить АЦП к магистрали КАМАК-крейта и обеспечивал его работу по LAM-запросам. Кроме того, для организации простых спектрометров был разработан автономный блок интерфейса для подключения АЦП серии 8700 к стандартному параллельному LPT-порту ПК. Этот интерфейсный блок позволял набирать данные при работе по прерываниям со скоростью до 15-20 кГц.
Что касается базового ПО для спектрометрических измерений, то такой программный пакет (МСА), ориентированный на использование КАМАК-аппаратуры, был написан автором на языке Borland Pascal 7.0. Пользовательский графический интерфейс программы был реализован на основе графического пакета Super Vision 3.0. Пакет MCA предназначен для использования в системах DOS и Windows 95/98.
При создании программного обеспечения для ПК был сохранен ряд принципов, реализованных при создании ПО для микроЭВМ. В частности это разделение на ядро, выполняющее общие сервисные функции, и на библиотеку специализированных программных модулей, разрабатываемые под конкретную конфигурацию аппаратуры для сбора спектрометрических данных.
Разработка и применение спектрометрического комплекса для времяпролетных измерений сечений деления
Еще одна проблема связана с требованиями к объему оперативной памяти для размещения спектрометрических данных. Как показано в табл.2, минимальный объем данных, которые накапливаются в зоне набора, составляет примерно 104 кбайт. Однако требования к памяти ЭВМ существенно выше в связи с особенностями процесса измерений. В измерениях vp(En) для набора достаточной статистики требуется значительное время. Чтобы повысить достоверность получаемых данных, измерения нужно проводить непродолжительными по времени сериями (но достаточными для набора статистически значимых данных) с последующей проверкой данных на корректность в "on-line" режиме. Если данные корректны, то они аккумулируются (путем сложения спектров) в специальной зоне памяти - зоне накопления, объем которой должен быть равен объему зоны набора.
Время набора в режиме аккумуляции серий обычно составляет 3-4 ч, после чего аккумулированные данные необходимо сохранить. Но при длительной работе, даже при записи на жесткий диск центральной ЭВМ, имеющий емкость 29 Мбайт, возникают проблемы со свободным дисковым пространством. Регистрируемые времяпролетные распределения обладают большой избыточностью по временному разрешению в области больших времен пролета нейтронов. Поэтому автором было предложено, при сохранении энергетического разрешения около 0,5%, сжимать времяпролетные спектры за счет объединения каналов в области больших времен пролета. За счет этого объем записываемых на диск данных существенно (приблизительно в 2 раза) уменьшался. При этом общая потребность в объеме оперативной памяти под данные составляет примерно 400 кбайт, тогда как объем ОЗУ микроЭВМ составлял всего 56 кбайт.
Все требования, предъявляемые к спектрометрическому комплексу методики, были реализованы в рамках подхода, предложенного автором для накопления больших объемов спектрометрических данных сложной структуры (существенно превосходящих объем ОЗУ микроЭВМ). Для этого использовалось программно-аппаратное ядро, подробно описанное ранее. Сбор данных с КАМАК-аппаратуры осуществляется с помощью микроЭВМ "Электроника-60" (объем ОЗУ 56 кбайт), спектрометрические данные накапливаются во внешнем запоминающем устройстве (ВЗУ) "Электроника 256К" (объем до 1 Мбайта), подключенном через адаптер к шине микроЭВМ, а для сохранения данных используются жесткие диски ЦЭВМ АСНИ.
Базовое программное обеспечение ядра предоставляет широкие возможности для программирования сбора многопараметрических данных с помощью К АМАК-оборудования, накопления спектрометрических данных сложной структуры, "on-line" анализа данных, записи данных на диски ЦЭВМ по сети и автоматизации процесса измерений. Программирование спектрометрического комплекса было выполнено автором с помощью разработанной системы подготовки программного обеспечения для автоматизации спектрометрических экспериментов.
Комплекс позволял накапливать данные в соответствии со структурой, указанной в табл.2. Процесс измерений был полностью автоматизирован, обеспечивался набор заданного числа серий с определенной экспозицией, экспресс-анализ качества набираемых спектрометрических данных, их сжатие и сохранение на дисках.
В процессе "on-line" анализа данных каждой серии в распределениях Nt{t) вычислялись положение и ширина пика, обусловленного фотоделением ядер под действием импульса тормозного излучения, а для амплитудных распределений импульсов всех ППЛД и нейтронного детектора вычислялись положение центра тяжести и дисперсия. Кроме того, для нейтронного детектора вычислялась эффективность регистрации относительно среднего числа нейтронов спонтанного деления 252Cf ( vp(sf)= 3,756 [69]). Решение о корректности данных серии и их аккумуляции принималось на основании отклонения вычисленных параметров от заранее заданных.
По своим возможностям спектрометрический комплекс, разработанный автором, существенно превосходил систему регистрации [70], которая использовалась во времяпролетных измерениях vp для 233U, 235U и 239Pu в интервале Е„ от 50 кэВ до 10 МэВ, выполненных в Ок-Риджской национальной лаборатории на линейном ускорителе электронов ORELA [71] в 1986 г.
Подробная структурная схема разработанного спектрометрического комплекса (рис. 14) и ее описание приведены ниже.
Комплекс состоял из микроЭВМ и трех КАМАК-крейтов (из них два активных крейта с контроллерами ПКК-2) с модульной аппаратурой. МикроЭВМ была оснащена внешним ЗУ "Электроника-256К" с объемом памяти 256 к слов и подключена к ЦЭВМ АСНИ через последовательный интерфейс связи ПИ. Для визуализации спектрометрических данных использовался цветной телевизионный дисплей на базе телевизионного монитора TV и КАМАК-модуля "Динамо-Цвет".
Узел управления УУ запускает цикл время пролетной регистрации при соблюдении следующих условий: наличие синхроимпульса (на 1,5 мкс опережающего импульс электронов ускорителя), наличие стартового сигнала от импульса тормозного излучения ускорителя (формируется быстрым сцинтилляционным детектором, расположенным в том же нейтроноводе, что и БЖСД, на пролетной базе 50 м), отсутствие сигналов занятости от кодирующих устройств комплекса, разрешение на сбор данных от программно-управляемого выходного регистра "Старт-Стоп". Кроме того, узел управления автоматически запрещал запуск при отсутствии импульсов стартового детектора (схема с интенсиметром) и обеспечивал учет "чистого" времени измерения (таймер ИТГ-2).
Группа аналоговых сигналов Af (сигналы А\-А\), группа (сигналы А\ и А[) и группа Ащ (сигнал А„), приходящих с системы детектирования, обрабатывались с использованием техники "constant fraction" соответственно дискриминаторами Д1-Д4 и Д1-Д2 (типа 2ФК 165/23, ЛИЯФ). В результате формировались группа быстрых логических сигналов L (сигналы Хл), соответствующих регистрации нейтрона или мгновенных квантов деления жидким сцинтилляционным детектором), группа времяпролетных сигналов LffF (I -ll ), соответствующих актам вынужденного деления исследуемых изотопов, группа калибровочных сигналов L (I n 2 ), соответствующих актам спонтанного деления 252Cf.
Узел управления запускал генератор ГВь который разрешал временной и амплитудный анализ событий в интервале 10 мкс. В качестве генераторов ворот использовались модули типа 157/03 (ЛИЯФ). Вероятность появления события деления в разрешенном интервале мала (не более 0,01). Это позволяло использовать технику аплитудного и временного анализа в режиме мультиплексирования аналоговых и логических сигналов (с фиксацией номера канала), что существенно сокращало количество используемой КАМАК-аппаратуры. Интервал между стартовым и стоповым сигналами кодировался преобразователем время-код типа 161.05, разработанным в ЛИЯФ (разрешение 10 нс/канал).
Кроме старт-стопного анализа сигналы 1І использовались для запуска генератора ворот ГВ2) который с задержкой на 0,8 мкс (задержка исключала регистрацию мгновенных у-квантов деления) разрешал на 30 мкс счет импульсов БЖСД счетчиком СЧП (максимальная скорость счета до 100 МГц). Порог дискриминации импульсов с БЖСД составлял 2,5 МэВ по энергии у-квантов. Амплитуда первого импульса нейтронного детектора А„, кодировалась преобразователем ПЗКП. В качестве ПЗК использовались 5-входовые 9-разрядные преобразователи заряд-код типа 161.2/08 (ЛИЯФ, разрешение 1 пКл/канал) с быстрым коммутатором входов, управляемым по дополнительной магистрали сигналами типа ЭСЛ. Для формирования ЭСЛ-сигналов управления коммутацией входов преобразователя и идентификации номера входа, на который поступил импульс с дискриминатора, использовался 5-входовый блок управления преобразователем заряд-код БУПЗК.
Измерения энергетических спектров осколков спонтанного деления 242Ст и вынужденного деления 242тАт быстрыми нейтронами
В ряде задач требуется учитывать прохождение нейтронов через толстые слои конструкционных материалов. Для расчетов используются данные по полным нейтронным сечениям 7,0,(„), качество которых определяется главным образом энергетическим разрешением. В настоящее время, при измерении полного сечения для промежуточных и быстрых нейтронов, достигнуто энергетическое разрешение лучше 0,5%. Однако и в этом случае данные оказываются значительно сглаженными вследствие недостаточности энергетического разрешения, что приводит к недооценке эффектов резонансной структуры. При групповом подходе, используемом в расчетах реакторов и защиты, используются моменты Мк распределения сечения в пределах заданной группы, которые определяются, как это показано в работе В.В. Филиппова [78], по формуле где р{&) - плотность распределения величины о-, а интегрирование ведется по всем значениям, которое сечение а принимает в данной энергетической группе Е + АЕ. Функция р(а) удовлетворяет интегральному уравнению где 7(d)- функция пропускания нейтронов данной энергетической группы через образец толщиной d. Таким образом, для определения р(а) нужно сначала экспериментально получить зависимость T{d) для группы нейтронов Е + АЕ, а затем решить интегральное уравнение. Ускоритель ЛУ-50 позволяет выполнять измерение функций пропускания Т(Е„) времяпролетным методом в широком диапазоне энергий нейтронов, вплоть 16-20 МэВ. Автором была разработана методика измерений Д„) [42] по схеме, изображенной на рис. 18. Измерения наиболее целесообразно проводить относительным методом, поочередно регистрируя рабочим детектором времяпролетные распределения скорости счета нейтронов без образца Ng(t) и с образцом Npx(t). Возможным источником ошибок при этом может быть временная нестабильность энергетического распределения нейтронов на выходе из мишени. По этой причине должен обеспечиваться спектральный мониторинг первичного нейтронного потока дополнительным мониторным детектором, установленным в нейтронном потоке перед образцом. Такой подход исключает необходимость в определении абсолютной эффективности регистрации нейтронов для рабочего и мониторного детекторов. Величина пропускания Т{Е) для нейтронов в интервале Ej+AE в этом случае вычисляется следующим образом: где N(Et + &E) -число отсчетов в интервале энергий нейтронов JF. + Д, полученное по времяпролетному спектру; B(Et + АЕ) - число фоновых отсчетов в указанном интервале (индексы рим относятся к рабочему и мониторному детекторам, а индексы л: и 0 к измерениям с образцом и без образца).
Для проведения измерений Д„) был разработан специальный аппаратурный комплекс. Времяпролетная спектроскопия нейтронов осуществлялась большой 4-секционной ИК, созданной на основе прототипа, описанного в работе [79]. Камера содержала около 7 г 235U 90%-го обогащения (41 слой урана диаметром 60 мм) и наполнялась смесью аргона (90%) и метана (10%) до давления 1100 мм рт. ст.
Большая ИК устанавливалась на пролетной базе (52,182±0,003) м. Для уменьшения уровня фона рассеянных нейтронов в помещении павильона ИП-50 использовалась ловушка, расположенная в задней стене павильона. Величина пропускания Т(Е„) определялась по результатам спектрометрии нейтронов "с образцом" и "без образца" с учетом результатов мониторинга первичного нейтронного потока. Поток мониторировался ионизационной камерой деления, содержащей 1,5 г U 90%-го обогащения, расположенной на пролетной базе 25,5 м. Для усиления сигналов камер использовались пять быстрых предусилителей БЗУ - один на мониторной камере и по одному на каждую секцию большой ИК.
Исследуемый образец устанавливался в измерительном павильоне ИП-25 на отметке 28 м в коллимированном потоке нейтронов на специальной подставке, оснащенной сервоприводом. В этом же павильоне, но на другой пролетной базе, был установлен "стартовый" сцинтилляционный детектор с безводородной жидкостью ЖС-52, который регистрировал импульсы тормозного излучения от мишени ускорителя. Сигналы с ИК и сцинтилляционного детектора передавались в помещения ИВЦ, где располагалась система регистрации (рис. 19).
Система обеспечивала регистрацию времяпролетных и амплитудных спектров для мониторной камеры и каждой секции большой ионизационной камеры, а также автоматическое управление перемещением исследуемых образцов. Программирование КАМАК-аппаратуры и автоматизация процесса измерений были выполнены с использованием системы подготовки программного обеспечения для автоматизации спектрометрических экспериментов.
Системы контроля и управления для тритиевого комплекса и мишеней установки ТРИТОН
Амплитудный анализ импульсов, необходимый для настройки дискриминаторов (разделения сигналов, обусловленных осколками деления и а-частицами), обеспечивался 5-входовым 9-разрядным преобразователем заряд-код типа 161.2/08 (ЛИЯФ, разрешение 1 пКл/канал) с быстрым коммутатором входов, управляемым по дополнительной магистрали сигналами типа ЭСЛ. Для формирования ЭСЛ-сигналов управления коммутацией входов преобразователя и идентификации номера входа, на который поступил импульс с дискриминатора, использовался 5-входовый блок управления преобразователем заряд-код БУПЗК. Этот же регистр обеспечивал объединение входных сигналов по ИЛИ и формирование соответствующего выходного сигнала "Стоп".
Временной анализ проводился с помощью преобразователя время-код (разрешение Юнс/канал) старт-стопным методом на интервале регистрации нейтронов 10 мкс, который задавался генератором ворот ГВ (типа 157/03, ЛИЯФ), запускаемым синхро-импульсом от ускорителя ЛУ-50 (синхро-импульс на 1,5 мкс опережает импульс тормозного излучения). Чтение данных с входного регистра, ПЗК и ПВК (типа 161.05, ЛИЯФ) осуществлялось с помощью микроЭВМ по LAM-запросу от модуля входного регистра БУПЗК. Следует заметить, что в принятой схеме выполняется амплитудный и временной анализ только первого импульса в интервале регистрации нейтронов. Полное число событий деления в ИК в интервале регистрации фиксируется счетчиками Сч1 и Сч2 (100 МГц), при этом разность между интегральным набором в спектрах и показаниями счетчиков определяет число множественных событий деления для рабочей и мониторной камер.
На этапе постановки измерений пришлось преодолеть значительные трудности, связанные с наличием электромагнитных наводок от ускорителя. При использовании большой ионизационной камеры уровень наводок оказался достаточно высок. Наблюдаемые наводки имели вид периодического затухающего сигнала, четко связанного с импульсами ускорителя и приводящего к модуляции аппаратурных времяпролетных спектров. Для уменьшения влияния наводок был предпринят ряд мер. Большая ионизационная камера и все электронное оборудование в измерительном павильоне ИП-50 (усилители БЗУ, высоковольтный блок) были помещены в заземленную "клетку" из латунной сетки. Сигналы с выходов БЗУ подавались на кабельные линии, идущие в ИВЦ, через развязывающие трансформаторы, изготовленные на высокочастотных ферритовых кольцах.
Предпринятые меры позволили снизить влияние наводок до приемлемого уровня. Они не обнаруживались ни с помощью осциллографа, ни в результате визуального анализа времяпролетных распределений на наличие периодических структур. Кроме того, были проведены специальные измерения, в которых за счет установки порога дискриминации ниже порога регистрации а-частиц были получены достаточно равномерные времяпролетные распределения. Эти распределения были проанализированы на наличие периодических временных структур с помощью быстрого преобразования Фурье [80]. Сколько-нибудь значимых периодических компонентов во временном распределении обнаружено не было.
Измерения проводились при работе ускорителя ЛУ-50 в номинальном режиме (энергия ускоренных электронов 50 МэВ, длительность электронного импульса 12 не, частота повторения импульсов 2400 Гц, средний ток электронов 220 мкА), при этом скорость счета по каждой из секций большой ИК при отсутствии поглотителя составляла примерно 80 имп/с. Чувствительность камеры к импульсу тормозного излучения находилась ниже порога регистрации. Скорость счета по мониторному каналу составляла примерно 100 имп/с.
Для рабочей и мониторной камер был исследован фоновый вклад, обусловленный рассеянными нейтронами и а-частицами (импульсы от наложений cr-частицами оказываются выше порога дискриминации). Для рабочего детектора вклад от а-частиц, измеренный при работающем ускорителе и перекрытом шиберами пучке нейтронов, был равномерен во времени и составлял (2,5±1,0) импульсов на канал времяпролетного спектра за один час. Для мониторного детектора разделение осколков деления и а-частиц было лучше и фон был пракически нулевым.
Фон, обусловленный нейтронами, рассеянными на воздухе и стенах измерительного павильона, в принципе коррелирован с первичным нейтронным потоком. Для измерения этого компонента фона 4-секционная камера и мониторная камера смещались от оси нейтронного пучка на ЗО см. Временное распределение импульсов и в этом случае практически не отличалось от равномерного. Интегральная счетность при измерениях фона составляла не более 0,15% по отношению к интегральной счетности при измерениях в прямом потоке нейтронов.
На комплексе были проведены измерения с образцами из алюминия, железа и жидкого азота. Использовались образцы из чистого алюминия (толщиной до 100 мм), железа высокой степени чистоты марки Армко (толщиной до 60 мм) и жидкого азота (толщиной до 270 мм). Фиксированная толщина слоя жидкого азота обеспечивалась сосудами Дьюара, изготовленными в форме параллелепипедов из листовой нержавеющей стали толщиной 1 мм (с 10 мм вакуумными промежутками). На рис.20 представлены аппаратурные времяпролетные спектры, полученные без образца и с образцом из алюминия толщиной 100 мм.
Времяпролетные спектры регистрировались в интервале до 20 мкс, при этом реально обеспечивался диапазон измерений от 100 кэВ до 16 МэВ. При обработке аппаратурных времяпролетных спектров каждой секции камеры, полученных с образцом и без образца, учитывались измерения фона и результаты мониторинга первичного потока нейтронов. Привязка временной шкалы выполнялась по положению пика фотоделения. Суммарное среднее число событий деления в интервале регистрации нейтронов не превышало 0,1 на один импульс ускорителя, поэтому вводить поправку на просчеты, связанные с вероятностью появления в интервале регистрации событий деления с множественностью более единицы, не требовалось.
Совокупность полученных данных усреднялась, а статистическая погрешность величины пропускания в соответствующем энергетическом интервале определялась по разбросу результатов отдельных серий относительно среднего значения. При усреднении результатов отдельных серий использовался метод усечения выборки [81], который минимизирует возможные систематические погрешности измерений, не слишком сильно влияя на статистическую погрешность.
