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

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

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

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

Цель работы.

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

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы и практическая значимость работы.

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

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

Объем и структура работы.

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

4.10. Выводы.

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

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

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

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

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

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

Результаты экспериментов дают возможность прогнозирования создания полномасштабной установки обнаружения ДМ в аэропортах. Если принять время анализа одной единицы багажа (5−7) секунд, то при размере багажной камеры 550×750×1200 мм необходимо иметь выход ББ нейтронов нейтронного генератора на уровне 107 н/с при 20 цифровых каналах со стильбеновыми сцинтилляторами (или их жидкосцинтилляционными аналогами типа N?-213, ВС-501, Ц3−13), имеющими ориентировочные размеры 075×180 мм.

ГЛАВА5.

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА ТАМОЖЕННОЙ.

УСТАНОВКИ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕЛЯЩИХСЯ И РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АЭРОПОРТАХ.

5.1. Постановка задачи.

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

235 239 определенной массы, которая определялось минимальным значением масс U и Ри, подлежащих государственному контролю и учету. Для указанных нуклидов эта величина составляет 15 грамм, и поэтому ее значение принималось как минимальное значение ДМ, подлежащее обнаружению в свинцовых, кадмиевых и сложных композитных экранах, включающих в себе водородосодержащие замедлители. Минимальное время-обнаружения ДМ в багаже пассажиров принималось равным не более 7 секунд, что соразмерно общему времени регистрации в аэропорту на рейс пассажиров широкофюзеляжного самолета. При этом размер багажной камеры был принят равным 550×750×1000 мм, что соответствует размерам стандартной камеры досмотра багажа пассажиров.

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

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

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

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

1. Процент перекрытия поверхности сцинтилляторами графитовой поверхности багажной камеры.

2. Тип сцинтиллятора.

3. Оптимизация величины отклика отдельного сцинтилляционного блока.

4. Число сцинтилляционных блоков в измерительной камере.

5. Конфигурация и геометрические размеры сцинтилляционных блоков.

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

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

8. Концепция измерения откликов ДМ многоканальной системой.

9. Экономика создания промышленной установки, работающей в аэропортах. Совершенно очевидно, что поставленная задача создания многоканальной сцинтилляционной системы является многофакторной системной задачей, которая требует большого объема оптимизационных исследованийвременных и материальных затрат. Ввиду этого, часть параметров была задана априорно, хотя, конечно, такой выбор не может претендовать на абсолютную достоверность. К числу таких параметров относится процент перекрытия поверхности сцинтилляторами графитовой поверхности багажной камеры, который в созданном прототипе установке был принят равным -10%. Считалось, что перекрытие поверхности графитовой стенки большим числом водородосодержащих детекторов не даст увеличенияэффективности обнаружения ДМ в кадмиевых или композитных экранах или даже может привести к ее снижению.-Это основополагающее предположение определило общий размер сцинтилляционной поверхности системы детектирования, а с учетом выхода импульсного источника нейтронов, частоты следования нейтронных импульсов и максимальной загрузки сцинтилляционных трактовбыли получены поверхность одного блока и их число. Безусловно, наилучшей формой сцинтилляционных блоков для создаваемого прототипа, является прямоугольная с толщиной, прозрачной для эпитепловых нейтронов. Однако такая форма является недоступной для практической реализации, и поэтому была выбрана цилиндрическая форма сцинтилляторов с размерами 074×176 мм;

Выбор типа сцинтиллятора определялся его возможностью разделения откликов нейтронов и фотонов по форме сцинтилляционных сигналов протонов^ отдачи и комптоновских электронов: Были рассмотрены следующие возможные сцинтилляторы, которые удовлетворяют этому условию: ВС-501, BG-537 (фирма Bicron), стильбен h.

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

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

Ь8−13 (фирма Аткгув СТО, Украина), имеющего свойства разделения нейтронов и фотонов по форме их импульсов. Пусковой детектор имеет размеры 063×63 мм. Для проверкифункционирования системы блокировки ФЭУ детекторов и проведения фоновых измерений в состав пускового детектора входит встроенный светодиод. В НИИИТ были проведены исследования оптимального режима и основных характеристик детектора. По результатам градуировки детектора максимальная чувствительность к нейтронам с энергией 14,5 МэВ составляет 1,6−10″ 9 Асм2с/нейтрон при рабочем напряжении питания 2,3 кВ. Путем шунтирования и использования светофильтров, устанавливаемых между сцинтиллятором и фотокатодом, чувствительность детектора может быть снижена более чем на два порядка с сохранением всех остальных характеристик. Временное разрешение детектора на нагрузке 50 Ом не превышает 25 не, а максимальный линейный ток при рабочем напряжении питания 2,3 кВ и длительности воздействующего светового импульса 1 мке составляет не менее 0,4 А. Экспериментально измеренное соотношение чувствительности детектора к нейтронам с энергией 14,5 МэВ к чувствительности детектора к гамма-квантам радиоизотопа б0Со составляет величину 4,5 ± 0,-7.

В детекторе на основе ЬБ-И используется ФЭУ-183 (российское производство). Он имеет увиолевое входное окно и внешние размеры 078×180 мм. Контейнер для жидкого сцинтиллятора выполнен из кварцевого стекла в двух вариантах: в первом варианте сцинтиллятора покрыта экраном литийсодержащего поглотителя толщиной 2,5 мм, а во втором варианте такого покрытия нет. Боковые поверхности всех колб покрыты светоотражающей пленкой типа «майлар». В состав детектора входит блок высоковольтного преобразователя, делитель напряжения питания и система блокировки ФЭУ, а также плата предусилителя с переменной ЯС-цепью интегрирования выходного сигнала и встроенный светодиод.

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

50 100 150 200 250 300 350 400.

Полуширина отклика, не.

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

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

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

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

А (1.5: 1).

Розетка СР-50−74ФВ Вилка РС4ТВ.

Розетка СР-7Э-155ФВ.

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

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

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

Тем не менее, некоторые выводы из полученных результатов показывают дальнейший путь развития исследований с целью получения", оптимальных решений работы прототипа установки. Из представленных результатов видно, что дальнейшее снижение числа нейтронов1 в импульсе, позволяет получать физически обоснованные временные отклики фотонов, что определяет реальную загрузку сцинтилляционных трактов при работе прототипа. Очевидно, что объединение сцинтилляционных трактов-в единую измерительную систему нежелательно, так как даже в случае использования цифровой' технологии обработки данных, критерий' загрузки' все' равно является определяющим условия работы установки. Можно видеть также, что наличие кадмиевых экранов не сильно увеличивает загрузку и имеет примерно одинаковое влияние в различное время после импульса нейтронного генератора.

Введение

в сцинтилляционный блок второго ФЭУ дает увеличение нейтронного отклика примерно в (1,6−1,7) раза и также увеличивает загрузку. Ввиду этого нет смысла введения второго ФЭУ в сцинтилляционный блок без кардинального решения проблемы загрузки отдельного сцинтилляционного тракта.

Введение

в прототип установки сцинтилляционного блока с двумя ФЭУ приводит к увеличению габаритов блока, а, следовательно, и к уменьшению их общего числа в установке, что фактически не дает никакого преимущества без уменьшении числа нейтронов-в импульсе нейтронного генератора.

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

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

Число нейтронов в импульсе х106.

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

0 200 400 600 800.

Время после импульса нейтронов источнике, МКб.

Рис. 65 Временная зависимость отклика фотонов для четырёх цилиндрических образцов металлического урана 2% обогащения 235и в К&ДМИй и него для сцинтиллятора ЬБ-13 размером 074×176 мм с одним ФЭУ-Ш при 2000 запусках ИНГ-07 от числа нейтронов в импульсе.

Число нейтронов в импульсе х106.

0,036- без кадмия.

0,072- без кадмия.

0,170- без кадмия.

— х- 0,360- без кадмия.

1,140- без кадмия.

0,036- с кадмием.

0,072- с кадмием.

0,170- с кадмием.

0,360- с кадмием.

1,140- с кадмием.

4500 ¦ 4000 -3500.

3000 2500 2000 1500 1000 500 0.

— I-1−1-1.

0 200 400 600 800.

Время после импульса нейтронов источника, МКС.

Рис. 66. Временная зависимость отклика фотонов для четырех цилиндрических образцов металлического урана 2% обогащения 235и в кадмии И без него для сцинтиллятора Ь8−13 размером 074×176 мм с двумя ФЭУ-183 при 2000 запусках ИНГ-07 от числа нейтронов в импудьсе.

О 200 400 600 800.