2.2.8 Активационный метод спектрометрии

Метод относится к внутриреакторной дозиметрии. Данные о спектрах нейтронов необходимы для правильного расчета защиты реактора, а также при постановке и проведении радиобиологических исследований и оценки радиационной стойкости материалов реакторной установки. В современной экспериментальной ядерной физике имеется целый ряд методов измерения спектров нейтронов. При проведении модельных экспериментов наибольшее распространение получил сцинтилляционный метод с органическим сцинтиллятором и разделением (n - g) сигналов по форме импульса. Однако метод не работоспособен при больших дозах гамма-излучения. Кроме него результативным является метод пропорциональных счетчиков с водородным или метановым наполнителями, но эти счетчики не работоспособны в полях интенсивного гамма-излучения. Применение находит также полупроводниковые детекторы, но они отличаются низкой радиационной стойкостью в нейтронных полях и используются в потоках до 10¹¹ нейтрон / см² * с. Таким образом все перечисленные методы не позволяют проводить измерения на действующих реакторах. И единственным способом измерения больших нейтронных потоков на фоне мощного гамма-излучения остается метод активационных детекторов. Он позволяет при надлежащем подборе активационных веществ измерить спектр нейтронов в широком энергетическом интервале от 0,5 эВ до 15 МэВ и определить температуру нейтронов. Погрешность метода 3 – 5 %.

Суть метода в следующем [29]. Пластинки из вещества, приобретающего под действием нейтронов бета-активность (индикаторы) располагают в соответствующих точках пространства. По наведенной активности определяют интенсивность нейтронных потоков. Таким образом, работа выполняется в два этапа. На первом этапе индикатор облучают в поле нейтронов. На втором этапе с помощью счетчика измеряют наведенную активность индикатора. Накопление радиоактивных ядер под действием облучения нейтронами, происходит в соответствии с уравнением:

где: - образование радиоактивных ядер в 1 с.,

- накопление радиоактивных ядер за время t,

- распад радиоактивных ядер за 1 с.,

- скорость накопления радиоактивных ядер.

С увеличением времени облучения вещества t наведенная активность возрастает и стремится к своему предельному значению В₀ . Значение предельной активности называют активностью насыщения, то есть дальнейшего увеличения активности индикатора не происходит. Асимптотически активность насыщения индикатора достигается через бесконечно продолжительное время. Однако практически достаточно времени:

t₀ » (3 – 5) / λ, c.

Детальный анализ метода имеется в [30]. Рассматриваются три основных способа измерения наведенной активности: определение активности детекторов по выходу гамма-излучения однокристальным спектрометром, например, с помощью монокристалла NaI; определение активности с помощью бета-частиц, в этом спектрометре используются счетчики Гейгера-Мюллера, пропорциональные и сцинтилляционные; третий – измерения актов деления с помощью трековых детекторов, в качестве детекторов используются стекло, слюда, ацетатцилюлозы.

Важным является вопрос об обоснованном выборе материала индикатора. Он решается с учетом величины сечения реакции активации, под которым понимают следующую сумму:

s_а = s_n + s_2n + s_ …

Оно зависит от энергии нейтронов. Понятно, что величины сечения и зависимость от энергий у разных материалов разные.

Активность индикатора зависит от сечения активации. Индикаторы, обладающие большим сечением активации для медленных нейтронов, используются для измерения потоков тепловых и резонансных нейтронов. Индикаторы с высоким резонансными пиками в сечениях активации используют для изучения потоков нейтронов в резонансной области. Для регистрации потоков быстрых нейтронов используют вещества, в которых с большими сечениями идут пороговые реакции (n, p), (n, µ) и (n, 2n). Примеры индикаторов: для тепловой области используют индикаторы In¹¹⁵, Au¹⁹⁷, In¹¹³, Ag¹⁰⁹, Ag¹⁰⁷, Rh¹⁰³, Mn⁵⁵, Na²³ в качестве пороговых индикаторов используют P³¹, S³², Mg²⁴, Al²⁷, Si²⁸, C¹².

Примечание. Кроме активационного метода, как уже отмечалось, для регистрации нейтронов могут быть использованы обычные детекторы, но дополненные специальным веществом (называемым иногда радиатором) в котором происходят ядерные реакции, приводящие к образованию ионов. Наиболее часто используется реакция ₅B¹⁰(n, µ)₃Li⁷. Другие реакции: ₃Li⁶(n, µ)₁T³ ; ₂He³(n, p)₁T³; реакции деления ядер (n, ¦), реакция радиационного захвата (n, g), реакция неупругого рассеяния (n, n^/), реакция активации (n, 2n).

Реакции (n, p), (n, µ) и (n, 2n) являются пороговыми и протекают обычно под действием быстрых нейтронов с энергией больше 2МэВ. В результате этих реакций часто возникают нестабильные изотопы. Примеры реакций: Mo⁹²(n, 2n)Mo⁹¹; Ni⁵⁸(n, 2n)Ni⁵⁷. Реакцию (n, 2n), а также (n, g) и др. называют реакциями активации. Они являются реакциями резонансного типа. Промежуточные составные ядра в реакциях (n, g) часто оказываются b ^- - активными. В реакциях (n, 2n) в промежуточном составном ядре ощущается недостаток нейтронов и оно оказывается b ⁺ - активным.

Медленные нейтроны активируют вещество в основном в режиме радиационного захвата, порог реакции (n, 2n) у большинства веществ высок и достигает 10 – 20 МэВ.

Существует, кроме фольг, детектор, используемый только для регистрации нейтронов, это – камера деления. Суть ее работы в следующем. В ней располагают один из делящихся изотопов топлива U²³³, U²³⁵, Pu²³⁹. Их ядра поглощают нейтроны, делятся и образуются осколки, являющиеся многозарядными тяжелыми ионами с суммарной кинетической энергией порядка 166 МэВ. Они пересыщены нейтронами и b ^- - активны. Регистрация нейтронов осуществляется путем измерения ионизационного эффекта от осколков деления либо путем измерения b ^- - активности осколков. Так как газообразные делящиеся материалы с большой вероятностью образуют тяжелые отрицательные ионы их не применяют. Используют твердые соединения делящихся материалов, которыми покрывают электроды, а камеру наполняют каким либо инертным электроположительным газом, например, аргоном. В камерах могут быть использованы пороговые нуклиды, то есть Th²³², U²³⁸,Pa²³², Np²³⁷, Bi²⁰⁹. В этом случае реакция деления начинается при определенной энергии нейтронов называемой порогом, такие камеры деления называют пороговыми. Камеры деления всех типов обычно работают в импульсном режиме. Благодаря этому при использовании амплитудной дискриминации исключается гамма-фон, так как импульс от осколков деления много больше такового от гамма-квантов. Пробег осколков деления в твердом веществе из-за большой массы мал, поэтому осколки выходят в газовый объем камеры только из слоя делящегося вещества толщина которого равна пробегу осколков, обычно это 2 мг / см².

Существует разновидность пропорционального счетчика, также предназначенного только для измерения нейтронов (рис.16), он называется всеволновым счетчиком. Его особенности состоят в следующем. Так как сечение реакции (n, µ) на BF₃ в быстрой области мало обычный счетчик с BF₃ окружают слоем замедлителя, например, парафина. Нейтроны в нем замедляются и эффективно регистрируются счетчиком. При определенной толщине и расположении замедлителя вокруг счетчика можно добиться того, что его эффективность станет независимой от энергии нейтронов в области от 20 кэВ до 4 МэВ. Это постоянство эффективности счетчика в широкой области энергии обусловило его название всеволнового счетчика. Для защиты всеволнового счетчика от нейтронов рассеянных внешними конструкциями предусматривается внешний слой парафина, внутри которого находится слой кадмия рис.16. Рассеянные нейтроны замедляются во внешнем слое парафина и поглощаются кадмием. Такой счетчик использован в приборе КДН.

Рис. 16. Счетчик прибора КДН