RU2390800C2 - Способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиометров и дозиметров нейтронного излучения с широким энергетическим диапазоном. Способ измерения спектральной и интегральной плотности потоков нейтронов, заключающийся в использовании нескольких параллельно включенных детекторов нейтронного излучения, имеющих различные зависимости чувствительности от энергии нейтронов, при этом выходные сигналы этих детекторов обрабатываются совместно с помощью специально обученной с использованием имитационного моделирования нейронной сети, обеспечивая вычислительное восстановление энергетического спектра измеряемого потока нейтронов и вычисление по нему интегральной плотности измеряемого потока нейтронов и производных величин, а сами детекторы подбираются таким образом, чтобы их спектральные характеристики чувствительностей совместно перекрывали весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков. Устройство, реализующее данный способ, состоит из блока детектирования и измерительного пульта, причем блок детектирования состоит из параллельно включенных детекторов нейтронного излучения с различными зависимостями чувствительностей от энергии нейтронов, последовательно соединенных с усилителями-нормализаторами выходных импульсов детекторов, а измерительный пульт состоит из контроллера, пульта управления, устройства индикации и устройства сигнализации, при этом сам микроконтроллер эмулирует специально обученную для задачи восстановления энергетического спектра нейтронных потоков нейронную сеть. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиометров и дозиметров нейтронного излучения с широким энергетическим диапазоном.

Известны радиометры и дозиметры нейтронного излучения, использующие газоразрядные детекторы на основе ³Не или BF₃, помещаемые в замедлитель из полиэтилена, или сцинтилляционные детекторы с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Исходной измеряемой величиной при этом является плотность потока нейтронов, по которой уже несложно вычислить производные величины: мощность эквивалентной поглощенной дозы или накопленную эквивалентную поглощенную дозу. Однако при расчете эквивалентной дозы нейтронного излучения необходимо учитывать энергию нейтронов: для тепловых нейтронов (с энергией до 0,5 эВ) используется пересчетный коэффициент 300, для быстрых нейтронов (с энергией свыше 0,5 МэВ) - пересчетный коэффициент 1000. Поэтому необходимо раздельно измерять плотность различных энергетических составляющих потока нейтронов (тепловых и быстрых). При этом следует иметь в виду, что между ними располагается весьма широкий (в 6 порядков по энергии) диапазон промежуточных нейтронов. Поэтому для вычисления достоверного значения мощности эквивалентной дозы нейтронного излучения необходимо раздельно измерять три энергетических составляющих нейтронного потока: тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов.

Еще более важны измерения спектральной (по энергетическому спектру) плотности нейтронных полей в разных зонах ядерных реакторов с целью оперативного контроля режимов его работы и управления ими. Причем в этом случае требования к детальности спектрального анализа (определяемой шириной и количеством спектральных полос, на которые разделяется весь диапазон энергий) и к точности измерения спектральной плотности гораздо более жесткие.

Не меньшие проблемы возникают и при измерении интегральной (т.е. усредненной по всему энергетическому диапазону) плотности нейтронного потока. Дело в том, что не существует детекторов, имеющих одинаковую чувствительность к нейтронам любых энергий. В диапазоне энергий от сотых долей эВ до 15-20 МэВ (с которым приходится иметь дело в различных зонах ядерных реакторов) чувствительность используемых на практике нейтронных детекторов может меняться на несколько порядков. Отсюда понятна зависимость показаний приборов, измеряющих интегральную плотность потока нейтронов, от его энергетического спектра. Традиционное решение здесь состоит в том, чтобы принудительно резко сузить энергетический спектр нейтронов, попадающих на детектор. Это делается с помощью замедлителей нейтронов, которые гасят скорость быстрых и промежуточных нейтронов до тепловой. Но при этом возникает несколько проблем.

Во-первых, после замедлителя энергетический спектр нейтронов, конечно, сужается на несколько порядков, но не до моноэнергетического (реально при использовании замедлителей основная доля нейтронного потока соответствует энергетическому диапазону от 0,025 эВ до нескольких эВ), причем его форма и ширина зависят как от первоначальной формы спектра (до замедлителя), так и от свойств и толщины замедлителя. А чувствительность детектора и в этом узком диапазоне энергий не остается постоянной (хотя изменяется уже не на порядки, а в худшем случае в разы).

Во-вторых, часть нейтронов, попадающих в замедлитель, поглощается им (время жизни свободных нейтронов в плотном веществе составляет микросекунды), а часть рассеивается и не попадает в сам детектор. Точно определить, какая доля нейтронов, попавших в замедлитель, окружающий детектор, достигнет самого детектора, практически невозможно.

В-третьих, замедлитель не только уменьшает скорость нейтронов, но и хаотизирует ее направление (процесс диффузии нейтронов), и на сам детектор нейтроны могут падать со всех сторон. В то же время все нейтронные детекторы (особенно газоразрядные) чувствительны к их ориентации относительно направления потока нейтронов. От этого зависит их эффективность (т.е. вероятность того, что попавший в него нейтрон будет зарегистрирован). Например, для газоразрядных детекторов чувствительность к нейтронам, треки которых параллельны его оси, в несколько раз выше чувствительности к поперечно пролетающим нейтронам.

Все эти неопределенности пытаются преодолеть, производя градуировку прибора от образцового источника нейтронного излучения с известным спектром и известной плотностью потока. Но совершенно очевидно, что спектр реального измеряемого нейтронного потока не будет совпадать со спектром образцового потока, по которому производилась градуировка прибора. А все указываемые в паспорте прибора погрешности определяются именно для образцового потока с известным спектром, поскольку и поверка приборов производится по тем же образцовым источникам. Каковы же будут реальные погрешности для потока с неизвестным спектром, сказать сложно. Они могут во много раз превысить значения паспортных погрешностей.

Та же проблема возникает и при использовании сцинтилляционных детекторов, поскольку и у них чувствительность зависит от энергии нейтронов.

Таким образом, даже при измерении интегральной плотности потока нейтронов традиционное решение, используемое в подавляющем большинстве современных дозиметров-радиометров нейтронного излучения, не позволяет достоверно определять интегральную плотность потока нейтронов с неизвестным энергетическим спектром.

Положение еще более осложняется при попытках измерения спектральной плотности нейтронных потоков. Из всего каталога компании «Энергосила МК»: «Средства измерения, контроля и регулирования (раздел: ионизирующих излучений)» [1], где собрана информация о всех приборах, выпускаемых в России и странах СНГ, удалось отыскать всего несколько приборов, позволяющих измерять плотности потоков нейтронов раздельно по двум или трем энергетическим полосам: универсальный дозиметр-радиометр МКС-У (с блоком детектирования БДПН-07), поисковый дозиметр-радиометр МКС-07 «Поиск» (с тем же блоком детектирования нейтронного излучения), дозиметр-радиометр нейтронного излучения МКС-03С (с блоком детектирования БДКС-05) и дозиметр-радиометр МКС-15ЭЦ-Н (с блоком детектирования СБДН-01). Первые три из них используют газоразрядные детекторы нейтронного излучения на основе ³Не с замедлителями и без них, а последний - сцинтилляционный детектор на основе ZnS(Ag). В последнем случае разделение по энергии производится за счет амплитудной дискриминации импульсов, снимаемых с выхода ФЭУ. Из этих приборов только прибор МКС-03С раздельно измеряет плотность потока тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов, а остальные разделяют весь энергетический диапазон нейтронов (от 0,025 эВ до 14 МэВ) лишь на две полосы: тепловых нейтронов (с энергией до 0,4-0,5 эВ) и промежуточных + быстрых (весь остальной энергетический диапазон).

Учитывая вышесказанное, в качестве прототипа следует выбрать дозиметр-радиометр нейтронного излучения МКС-03С. В нем используются газоразрядные детекторы на основе гелия-3 СН-16 и СН-17, погружаемые на различную глубину в полиэтиленовый замедлитель, выполненный в виде шара с полостями для детекторов. В центр замедлителя помещается один детектор СН-16, с которого снимается сигнал для канала быстрых нейтронов. Симметрично от него (т.е. помещенные в замедлитель на меньшую глубину) расположены еще два детектора СН-16, выходы которых объединены и образуют канал промежуточных нейтронов, и два детектора СН-17 расположены снаружи замедлителя и их объединенный выход образует канал тепловых нейтронов [2]. В других аналогах с газоразрядными детекторами используются два канала: канал тепловых нейтронов использует детектор без замедлителя, канал промежуточных и быстрых нейтронов использует такой же детектор, но помещенный в цилиндр из замедлителя с определенной толщиной стенок.

Основными недостатками данного способа измерения спектральной плотности потока нейтронов, заключающегося в принудительном ограничении энергетического спектра за счет использования замедлителей нейтронов, являются: а) недостаточная избирательность отдельных каналов по энергии нейтронов, б) сложность реализации более детального спектрального анализа (с увеличением числа энергетических полос с раздельно измеряемой спектральной плотностью потока) и в) низкая достоверность спектральных измерений потоков нейтронов с неизвестным спектром.

Для иллюстрации первого из них можно привести зависимости чувствительности указанных трех измерительных каналов от энергии нейтронов, приводимые в техническом описании прибора МКС-03С [2] и изображенные на фиг.1.

Из приводимых графиков видно, что чувствительности всех трех каналов во всем энергетическом диапазоне от 0,025 эВ до 14 МэВ сравнимы. В начальной точке 0,025 эВ (эта энергия соответствует средней температуре нейтронов 293,6 К, т.е. комнатной температуре) чувствительность канала тепловых нейтронов всего в 3 раза выше, чем канала быстрых нейтронов. При энергии в десятые доли эВ чувствительности всех трех каналов выравниваются. На верхней границе теплового диапазона (~0,5 эВ) чувствительность канала промежуточных нейтронов достигает максимума и примерно в 2,5 раза превышает чувствительность канала тепловых нейтронов и всего в 1,5 раза чувствительность канала быстрых нейтронов (хотя нижняя граница энергетического диапазона быстрых нейтронов соответствует 0,5 МэВ, т.е. до нее еще практически 6 порядков). Чувствительность канала быстрых нейтронов достигает максимума при энергии примерно 3 МэВ, но и в этом случае она лишь в 2,3 раза превышает чувствительность канала промежуточных нейтронов и лишь в 15 раз чувствительность канала тепловых нейтронов (при дальнейшем росте энергии разница лишь уменьшается). Поэтому разделение потока нейтронов по энергии таким способом получается достаточно условным. Этому способствует помимо тех причин, что были изложены выше, значительные габариты газоразрядных нейтронных детекторов (детекторы СН-16 и СН-17 имеют диаметр 18,5 мм и длину соответственно 158 и 251 мм). При таких габаритах самих детекторов создать одинаковые условия замедления нейтронов для всего объема детектора при погружении его в замедлитель весьма сложно при приемлемых для переносного прибора габаритах всего блока детектирования. Это же обстоятельство объясняет и второй из указанных недостатков. А третий недостаток обусловлен отсутствием совместной обработки информации, получаемой с выходов отдельных каналов, для вычислительного восстановления спектра всего нейтронного потока и вычисления по нему интегральной плотности потока.

Таким образом, задачами предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и аналогов, т.е. повышение селективности спектрального анализа потока нейтронов, повышение его детальности (т.е. увеличение числа энергетических полос, для которых определяется плотность потока) и повышение точности измерения как спектральной плотности потока нейтронов, так и интегральной плотности во всем энергетическом диапазоне потоков нейтронов с неизвестным энергетическим спектром.

Эти задачи решаются путем использования набора детекторов с избирательной спектральной чувствительностью на различных участках энергетического спектра, совместно перекрывающих весь энергетический диапазон измеряемых потоков нейтронов, с последующим восстановлением вычислительным путем всего энергетического спектра и вычисления по нему интегральной плотности потока или средней плотности на произвольно задаваемом участке спектра. При этом появляется возможность деления всего энергетического диапазона нейтронов (а его ширина может составлять девять порядков и более) не на две или три полосы, а на достаточное для решения конкретных практических задач число полос с помощью нескольких детекторов, имеющих различные зависимости чувствительности от энергии нейтронов и в совокупности перекрывающих весь возможный энергетический спектр нейтронных потоков. В частности, для большинства практических задач было бы удобным получать значения усредненной спектральной плотности нейтронного потока для каждого десятичного интервала энергетического спектра: (0,025…0,25) эВ; (0,25…2,5) эВ; (2,5…25) эВ; (25…250) эВ; (0,25…2,5) кэВ; (2,5…25) кэВ; (25…250) кэВ; (0,25…2,5) МэВ; (2,5…25) МэВ.

Количество детекторов (а главное, их подбор по зависимостям сечений реакций с нейтронами от их энергии) должен быть достаточным для определения средних спектральных плотностей потока в каждом из указанных энергетических интервалов. Все детекторы должны работать параллельно и информация с них обрабатываться во встроенном в прибор вычислительном устройстве прибора. Кроме нейтронных детекторов блок детектирования должен содержать детекторы гамма-излучения, поскольку практически все нейтронные детекторы чувствительны к гамма-излучению, в то время как детекторы гамма-излучения практически нечувствительны к нейтронам. Это и дает возможность коррекции показаний нейтронных детекторов путем измерения гамма-фона. В результате обработки мы должны получить усредненные значения плотности потока в каждом из этих энергетических интервалов, по которым легко вычислить и интегральную плотность всего потока, а также мощность поглощенной эквивалентной дозы суммарного облучения (нейтронного + гамма).

Общая структура нейтронного спектрометрического радиометра-дозиметра должна включать блок детектирования, состоящий из оптимально подобранного набора детекторов с селективной чувствительностью в различных областях энергетического спектра нейтронов, блока вычислительной обработки сигналов, получаемых от блока детектирования, который должен по этим сигналам вычислительным путем восстанавливать энергетический спектр измеряемого потока нейтронов и индикационного устройства.

Для восстановления спектра нейтронного излучения необходимо иметь набор нейтронных детекторов, имеющих максимумы чувствительности на различных участках спектра и совместно перекрывающих весь энергетический диапазон измеряемых потоков нейтронов.

По виду спектральных характеристик все детекторы нейтронного излучения можно разделить на следующие группы:

1. Детекторы с линейно падающей зависимостью чувствительности от скорости нейтронов (1/ν-детекторы).

2. Детекторы с постоянной величиной чувствительности в какой-то ограниченной области спектра с дальнейшим монотонным падением ее.

3. Детекторы с резонансными спектральными функциями сечений реакции с нейтронами.

4. Пороговые детекторы.

К детекторам первой группы относятся детекторы на основе ядер легких элементов с беспороговой реакцией: гелия-3, лития-6 и бора-10:

Подобные реакции идут и на ядрах других легких элементов, но лишь для указанных трех элементов они являются беспороговыми и сопровождаются выделением энергии. Для других легких элементов эти реакции идут с поглощением энергии и возможны лишь при энергиях нейтронов, начиная с энергий от десятков до сотен кэВ. Поэтому их следует отнести к группе пороговых детекторов.

На основе этих трех реакций работают все газоразрядные нейтронные детекторы. При использовании изотопа гелия-3 он сам является ионизируемым газом, который ионизируется протонами, вылетающими из захвативших нейтроны ядер. Сечение этой реакции линейно уменьшается с ростом скорости нейтронов во всем рассматриваемом диапазоне (от 0,025 эВ до 25 МэВ).

Вторая из этих реакций используется в счетчиках Гейгера-Мюллера с наполнением их традиционными инертными газами (обычно смесью неона и аргона), но внутренняя стенка баллона нейтронных детекторов покрывается слоем лития-6. При захвате нейтронов ядра лития-6 испускают альфа-частицы, которые и ионизируют газ. В диапазоне энергий нейтронов от сотых долей эВ до 100 кэВ сечения этой реакции линейно уменьшается с ростом энергии нейтронов. Но при дальнейшем росте энергии нейтронов (свыше 0,1 МэВ) эта зависимость имеет несколько небольших по величине резонансных выбросов, соответствующих энергиям 0,3 МэВ и 2 МэВ [4].

Третья реакция (на основе бора-10) используется в газразрядных счетчиках с заполнением их газообразным трифторидом бора (BF₃) или в газоразрядных счетчиках с наполнением их традиционными инертными газами, но с покрытием внутренней стенки баллона таких счетчиков слоем твердого бора-10). Сечение этой реакции имеет такую же линейно падающую зависимость от энергии нейтронов, как и предыдущая, но при превышении 0,1 МэВ оно продолжает монотонно уменьшаться (без резонансных выбросов), но уже нелинейно (асимптотически приближаясь к нулю).

Из анализа зависимостей сечений указанных реакций от энергии нейтронов более близкими к идеальному 1/ν-детектору следует признать детекторы на основе изотопов гелия-3 и бора-10.

На основе бора-10 или лития могут быть изготовлены и твердотельные нейтронные детекторы - полупроводниковые и сцинтилляционные.

В полупроводниковых нейтронных детекторах бор или литий должны наноситься на активную поверхность детектора. Такие детекторы целесообразно строить на базе p-i-n-детекторов, в которых толщина активного (обедненного носителями заряда) слоя может достигать 5 мм. Это позволяет достигать высокой чувствительности при небольших габаритах детектора. Сцинтилляционные нейтронные детекторы могут изготавливаться на основе монокристаллов Lil(Eu), в которых при бомбардировке нейтронами непосредственно в самом сцинтилляторе происходит реакция ⁶Li(n,α)³H с испусканием альфа-частиц, которые, возбуждая молекулы сцинтиллятора, вызывают фотонное излучение. Сцинтилляторы для нейтронов изготавливают также из сцинтиллирующих литиевых стекол либо из смеси борсодержащих веществ и сцинтиллятора ZnS(Ag). Эффективность регистрации тепловых нейтронов (с энергией 5·10^-3-0,5 эВ) с помощью таких сцинтилляторов достигает 40-60%.

И те, и другие твердотельные детекторы имеют два важных преимущества перед газоразрядными: а) высокую плотность вещества детектора, что позволяет при ограниченных размерах детектора полностью поглощать энергию детектируемых заряженных частиц, а значит, возникает возможность миниатюризировать размеры детекторов при сохранении их высокой чувствительности; б) длительность выходных импульсов таких детекторов на два-три порядка меньше, чем у газоразрядных, и составляет от единиц до десятков наносекунд, что обеспечивает более широкий диапазон скорости счета.

Ко второй группе относятся детекторы, базирующиеся на регистрации протонов отдачи:

Сечение этой реакции в диапазоне энергий нейтронов от сотых долей эВ и до 100 кэВ практически не меняется и лишь при энергии нейтронов свыше 0,1 МэВ начинает убывать. При этом для энергий до 1 кэВ оно остается существенно меньшим, чем для реакций (1). Но поскольку сечения реакций (1) с увеличением энергии нейтронов линейно убывают, то в области энергий в единицы кэВ сечения реакций (1) и (2) становятся примерно равными, а при дальнейшем росте энергии нейтронов становятся выше, чем для реакций (1). Лишь при энергиях свыше 0,1 МэВ сечение реакции (2) начинает убывать, но в диапазоне энергий от 0,2 до 20 МэВ остается примерно на два порядка выше, чем сечения реакций (1) в этом же диапазоне.

Такие детекторы изготавливают на основе различных водородсодержащих веществ: люцит, плексиглас, полистирол и др.

Вылетающие протоны регистрируются либо с помощью полупроводниковых детекторов, активную поверхность которых покрывают этими веществами, либо с помощью сцинтилляционных детекторов.

К третьей группе относятся активационные индикаторы [3] с резонансным поглощением нейтронов. Метод активационного анализа нейтронных полей [3] состоит в использовании индикаторных веществ, которые при бомбардировке их нейтронами захватывают их и превращаются в радиоактивные изотопы. Если пробу из такого вещества поместить на определенное время в измеряемый нейтронный поток, а затем замерить наведенную в нем активность, то, зная сечение реакции этого вещества с нейтронами, массу и геометрические размеры пробы и время экспозиции в нейтронном потоке, можно вычислить плотность данного нейтронного потока. Если же сечение захвата нейтронов избирательно к энергии нейтронов, то можно определить плотность потока именно на данном участке энергетического спектра. Подбирая индикаторы, чувствительные к различным участкам энергетического спектра, в принципе, можно вычислительным путем восстановить энергетический спектр нейтронного потока. Активационный анализ является в настоящее время основным методом исследования нейтронных полей в ядерных реакторах. Однако это лабораторный метод, требующий больших затрат времени и труда (с расходованием индикаторных веществ) на каждый анализ. При этом критериями отбора индикаторных веществ в активационном анализе являются:

- расположение резонансного пика сечения реакции захвата нейтронов на всей энергетической шкале;

- величина этого пика, определяющая селективность данного вещества к нейтронам соответствующей энергии (в активационном анализе ее принято характеризовать эффективностью индикатора, под которой подразумевают долю активности (в процентах), наведенной в индикаторе нейтронами с энергией, соответствующей резонансной области, от общей активности, наведенной всем потоком нейтронов);

- величина периода полураспада, которая при использовании активационного анализа должна лежать в пределах от десятков минут до нескольких суток (нижняя граница определяется временем, необходимым для извлечения индикатора из зоны облучения и проведения измерений наведенной активности; а верхняя - достаточной для проведения измерений наведенной активности скоростью реакции распада образовавшегося радиоактивного изотопа).

При использовании же активационных индикаторов для реализации приборного метода измерений третий критерий видоизменяется: период полураспада должен быть как можно меньше и, во всяком случае, не превышать нескольких минут. Это необходимо для обеспечения проведения измерений в режиме реального времени, т.е. путем измерения активности насыщения (при периоде полураспада, сравнимом с временем экспозиции, в нейтронном потоке в индикаторе устанавливается динамическое равновесие между числом образующихся ядер радиоактивного изотопа и числом распавшихся радиоактивных ядер; это равновесие и характеризуется активностью насыщения, которая пропорциональна плотности нейтронного потока). Кроме того, при малом периоде полураспада после окончания экспозиции активность индикатора будет быстро уменьшаться до незначимого уровня, что позволяет использовать тот же индикатор для вторичных измерений.

Из описанных в [3] индикаторов для построения на их основе приборных детекторов следует выделить лишь те из них, которые имеют малый период полураспада. К таким относятся: родий-103 (Т_1/2=4,4 мин, Е_рез=1,257 эВ), серебро-107 (Т_1/2=2,3 мин, Е_рез1=16,3 эВ, Е_рез2=41,5 эВ, Е_рез3=44,8 эВ) и фтор-19 (T_1/2=11,56 с, Е_рез1=15300 эВ, Е_рез2=27300 эВ). При этом необходимо иметь в виду, что рассмотренный в [3] перечень индикаторов не является исчерпывающим, поскольку так или иначе с нейтронами реагируют любые вещества, а в данный перечень индикаторов попали лишь те из них, которые в результате реакции с нейтронами образуют радиоактивные изотопы; а период полураспада этих изотопов лежит в удобном для измерений наведенной активности интервале - от нескольких минут до двух-трех десятков часов.

Резонансная область реакций захвата нейтронов кончается энергиями в десятки кэВ. Для регистрации нейтронов более высоких энергий можно использовать пороговые детекторы, которые и составляют четвертую группу детекторов.

Пороговые детекторы основаны на реакциях неупругого рассеяния нейтронов (n, n'), поглощения нейтронов с высвобождением протонов (n, р) или альфа-частиц (n, α), а также реакций порогового деления (n, f) с диапазоном пороговых энергий от 0,04 до 15 МэВ. Пороговые реакции отличаются от резонансных тем, что при энергиях нейтронов до нижнего порогового значения их сечение равно нулю, тогда как для реакций резонансного захвата при энергиях ниже резонансных сечение реакций захвата нейтронов не равно нулю, а, чаще всего, подчиняется закону 1/ν. Зависимости сечений пороговых реакций от энергии нейтронов в большинстве случаев имеют сложную форму с несколькими локальными пиками, что определяется множеством возможных путей протекания реакций. Характерным является лишь то, что при энергиях ниже нижнего порогового уровня эти реакции не протекают вообще (их сечение равно нулю) и аналогично, при энергиях выше верхнего порогового уровня сечение этих реакций также спадает к нулю. Интервал между нижним и верхним пороговыми уровнями составляет, как правило, несколько МэВ.

Пороговые детекторы можно разделить на несколько групп:

- низкоэнергетичные, основанные на реакции неупругого рассеяния нейтронов (n, n'): родий-103 и индий-115 с пороговыми энергиями соответственно 0,040 и 0,335 МэВ;

- среднеэнергетичные, основанные на реакциях деления (n, f): уран-234, нептуний-237, уран-236, торий-232 и уран-238 с пороговыми энергиями соответственно 0,3; 0,4; 0,7; 1,3 и 1,3 МэВ;

- высокоэнергетичные, основанные на реакциях (n, р): ^3IP; ³¹Si; ³²Si; ³²Р; ²⁷Al; а также на реакциях (n, α): ²⁷Mg; ²⁷Al с пороговыми энергиями от 1 до 20 МэВ.

При неупругом рассеянии нейтронов часть энергии расходуется на возбуждение ядра, которое снимается гамма-излучением. Данная реакция относится к числу пороговых, т.е. возможна только в случае, если энергия нейтронов превышает какое-то пороговое значение, характерное для данных ядер. Значение пороговой энергии для легких ядер достигает 5 МэВ и уменьшается по мере роста массового числа элементов до 0,1 МэВ. Вероятность неупругого рассеяния нейтронов при значении их энергии выше пороговой сначала быстро увеличивается, а затем монотонно стремится к постоянной величине.

В отличие от резонансных индикаторов пороговые детекторы не требуют длительной активации и могут без всяких ограничений использоваться в режиме реального времени.

Наибольший интерес для реализации приборных детекторов представляют индикаторы, основанные на реакциях неупругого рассеяния и реакциях с выделением заряженных частиц. Использовать реакции деления нежелательно из-за возможного образования радиоактивных осколков и, как следствие, накопления наведенной радиоактивности. Для перекрытия возможно более широкой области спектра из них можно отобрать следующие: родий-103 (Е_пор=0,04 МэВ), индий-115 (Е_пор=0,335 МэВ), фосфор-31 (Е_пор=3 МэВ), железо-56 (Е_пор=7,7 МэВ) и углерод-12 (Е_пор=20 МэВ). Поскольку в их основе лежит реакция неупругого рассеяния нейтронов с излучением гамма-квантов, то их можно использовать в сочетании с полупроводниковыми или сцинтилляционными детекторами, чувствительными к гамма-излучению.

Пороговые детекторы, использующие реакцию захвата нейтронов с испусканием заряженных частиц, можно использовать в сочетании с детекторами заряженных частиц (газоразрядными, полупроводниковыми или сцинтилляционными).

Таким образом, из указанных четырех групп детекторов можно подобрать набор детекторов, имеющих максимумы чувствительности на различных участках спектра и совместно перекрывающих весь энергетический диапазон измеряемых потоков нейтронов.

Теперь по информации, получаемой от такого набора детекторов необходимо восстановить энергетический спектр измеряемого потока нейтронов. Это является весьма сложной задачей. Совершенно очевидно, что аналитически эта задача не решается, если форма энергетического спектра заранее неизвестна. Математическая модель спектральной функции должна быть нелинейной, поэтому все методы линейной алгебры здесь непригодны. В [3] рассматриваются различные методы и алгоритмы вычислительного восстановления спектра потока нейтронов по результатам активационного анализа. Однако большинство из них опирается на математические модели типичных спектров тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов. Если же форма спектра заранее не задается, то достоверность восстановления получается очень низкой. Рассматриваемые в [3] регрессионные алгоритмы, использующие полиномиальные модели, имеют ряд существенных ограничений:

- для восстановления функций сложных видов они требуют использования полиномов высоких степеней, а в многомерном пространстве это приводит к очень сложным моделям, включающим от нескольких десятков до сотен членов;

- при взаимной корреляции входных информативных признаков (входных данных, получаемых от разных детекторов) эти модели склонны к неустойчивости, а при сильной корреляции и к невозможности их получения ввиду невозможности обращения матриц, близких к вырожденным;

- при недостаточных объемах и представительности обучающих выборок такие модели склонны воспроизводить «шум» данной выборки, что резко снижает прогностическую точность модели для новых данных, не используемых при обучении (в [3] приводятся случаи, когда при использовании подобных моделей для восстановления спектров при активационном анализе получались не только недостоверные, но и вообще абсурдные результаты, когда на некоторых участках спектра восстановленная плотность потока получала отрицательные значения).

Поэтому из всех статистических методов построения математических моделей сложных объектов наиболее пригодными для данных целей следует признать нейросетевые модели. В последние годы данный метод получил существенное теоретическое и практическое развитие и начал широко применяться как для решения задач восстановления сложных зависимостей (регрессионных задач), так и для создания распознающих систем (зрительных образов, речи и т.п.).

Если ориентироваться на получение плотности потока в спектральных полосах, соответствующих десятичным интервалам по энергии, то всего в диапазоне энергий от 0,025 эВ до 25 МэВ получается 9 десятичных интервалов. Следовательно, нейронная сеть должна иметь 9 выходов. На каждом выходе должно формироваться значение средней плотности потока нейтронов, попадающих в данный интервал энергий.

Идеальным случаем было бы иметь набор из 9 детекторов, каждый из которых имел бы максимум функции сечения реакции с нейтронами от их энергии в соответствующем десятичном интервале. Однако рассчитывать на такой вариант не приходится. По-видимому, какие-то интервалы окажутся пропущенными, какие-то детекторы могут иметь локальные максимумы в нескольких интервалах, некоторые детекторы могут иметь линейные или линейно падающие зависимости, распространяющиеся на несколько интервалов и т.д. Все это не столь важно. Важно, чтобы спектральные характеристики чувствительности отобранных детекторов были разными и в сумме перекрывали бы все указанные интервалы. При этом общее количество детекторов может быть и меньше девяти, и больше девяти. Естественно, что, в конечном счете, необходимо стремиться к минимальному количеству детекторов, но для математической постановки задачи это не имеет значения.

Итак, для построения нейронной сети мы имеем два определяющих параметра: количество выходов N (эту величину мы приняли в данном случае равной девяти) и количество входов К (их может быть от 3 до 12 в зависимости от желаемой детальности и точности восстановления спектра). Числу детекторов соответствует число нейронов во входном слое. Если использовать простейшую структуру нейронной сети - без обратных связей и с одним промежуточным слоем нейронов, то для такой сети число нейронов в промежуточном слое М на начальном этапе проектирования нейронной сети рекомендуется брать равным полусумме входов и выходов М=(N+K)/2. В итоге получаем структурную схему, отображающую связи между детекторами и всеми нейронами нейронной сети, восстанавливающей спектр измеряемого потока нейтронов. Она изображена на фиг.2. Блок детектирования 1 содержит К детекторов, выход каждого из которых подсоединен ко входу одного из нейронов входного слоя 3 нейронной сети 2. Выход каждого нейрона входного слоя 3 нейронной сети 2 подсоединен к входам всех нейронов промежуточного слоя 4 нейронной сети 2, а выход каждого нейрона промежуточного слоя - к входам каждого нейрона выходного слоя 5 нейронной сети 2. На выходах нейронов выходного слоя будут формироваться численные значения плотности нейтронов в соответствующей полосе энергетического спектра.

Каждый нейрон выполняет взвешенное по каждому своему входу (с синаптическими весами) суммирование входных сигналов. К данной сумме прибавляется смещение нейрона (величина, не зависящая от входных сигналов, но изменяемая в процессе обучения нейронной сети). Над полученным результатом затем выполняется нелинейное преобразование с помощью активационной функции, вид которой устанавливается заранее. Значение функции активации - есть выход нейрона. Все эти параметры (синаптические веса каждого входа нейрона и смещения каждого нейрона) определяются в процессе обучения нейронной сети конкретной задаче.

Процесс обучения нейронной сети состоит в многократном предъявлении примеров входных воздействий с известными характеристиками и сравнении выходного вектора нейронной сети с известным правильным результатом. В зависимости от величины вектора ошибки по всем предъявленным примерам корректируются параметры нейронной сети (синаптические веса входов всех нейронов и их смещения), после чего вновь предъявляются те же обучающие примеры. После некоторого количества таких циклов обучения параметры сети стабилизируются, причем сеть дает правильные ответы на все (или почти все) примеры из базы данных. В таком случае говорят, что «сеть обучена». Имеются стандартные программные пакеты, позволяющие проводить обучение нейронных сетей и оптимизировать их структуру под конкретную задачу. Критерием остановки процесса обучения является или достижение приемлемо малого уровня ошибки, или стабилизация параметров сети от цикла к циклу. Обучение нейронной сети необходимо проводить на персональном компьютере с инсталляцией в нем одного из стандартных программных пакетов по нейронным сетям. Но реализация уже обученной и достаточно простой нейронной сети, состоящей из двух-трех десятков нейронов, как в данном случае, вполне доступна на встраиваемом в прибор микроконтроллере. Учитывая же, что выходные сигналы всех детекторов являются дискретными (информационным параметром является количество импульсов в единицу времени), то, если детекторы снабдить усилителями-нормализаторами импульсов, все остальные функции прибора могут быть выполнены программно. В итоге, структурная схема прибора, реализующего данный способ измерения спектральной и интегральной плотности нейтронных потоков, будет иметь вид, представленный на фиг.3.

Устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потоков нейтронов состоит из блока детектирования 1 и измерительного пульта 4. В блоке детектирования расположены блок детекторов 2, состоящий из К детекторов нейтронного излучения с различными спектральными характеристиками чувствительности, и блок усилителей-нормализаторов 3, состоящий из К усилителей-нормализаторов выходных импульсов детекторов. Измерительный пульт состоит из микроконтроллера 5, пульта управления 6, устройства индикации 7 и устройства сигнализации 8. Выход каждого детектора соединен с входом соответствующего усилителя-нормализатора выходных импульсов детекторов, а выходы всех усилителей-нормализаторов выходных импульсов детекторов соединены с соответствующими информационными входами микроконтроллера 5, а его управляющие входы соединены с выходами пульта управления 6. Выходы микроконтроллера 5 соединены с устройством индикации 7 и устройством сигнализации 8, которое срабатывает, когда вычисленная по результатам измерений мощность эквивалентной поглощенной дозы излучения превысит заранее задаваемый с помощью пульта управления уровень. Устройства вторичного электропитания самих детекторов и электронных схем на фиг.3 не показаны.

Устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потоков нейтронов работает следующим образом. Блок детектирования 1 помещается в зону, где необходимо измерить характеристики нейтронного потока. При облучении нейтронами детекторов 2 на их выходах появляются импульсы, интенсивность которых пропорциональна интегральной плотности нейтронного потока на том энергетическом интервале, к которому чувствителен данный детектор. Эти импульсы усиливаются и нормируются (по амплитуде и длительности) усилителями-нормализаторами 3, после чего поступают на информационные входы микроконтроллера 5 измерительного пульта 4. Микроконтроллер 5 измеряет их интенсивности (число импульсов за единицу времени по каждому входному каналу) и далее в числовом виде производит их совместную обработку в соответствии со структурой и алгоритмом той нейронной сети, которая обучена на восстановление энергетического спектра нейтронного излучения (т.е. вычисления усредненной плотности нейтронного потока на каждой заданной полосе энергетического диапазона). Далее микроконтроллер 5 вычисляет интегральную плотность потока на всем энергетическом диапазоне (как сумму измеренных плотностей потока в узких энергетических полосах) и, если это нужно, плотности потоков тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов и по ним - мощность эквивалентной поглощенной дозы излучения и индицирует их на устройстве индикации 7. Если одновременно с нейтронами измеряется гамма-излучение (для этого в блок детектирования должны быть включены детекторы гамма-излучения), то вводятся поправки к показаниям тех детекторов нейтронного излучения, которые чувствительны к гамма-излучению, и дополнительно индицируется на устройстве индикации 7 мощность экспозиционной дозы гамма-излучения и мощность суммарной эквивалентной поглощенной дозы нейтронного и гамма-излучения. Пульт управления 6 помимо функций управления режимами работы устройства для измерения спектральной и интегральной плотности потоков нейтронов позволяет установить предельно допустимый уровень мощности эквивалентной поглощенной дозы нейтронного и гамма-излучения, при превышении которого срабатывает устройство световой и звуковой сигнализации 8.

Основной проблемой при разработке таких приборов является получение обучающей выборки спектров нейтронного излучения с известными и различными характеристиками, необходимой для обучения нейронной сети. Для обеспечения высокой достоверности восстановления спектров измеряемых потоков нейтронов такая обучающая выборка должна содержать несколько десятков (а лучше, более ста) различных реализаций, воспроизводящих потоки нейтронов с различными энергетическими спектрами тех форм, которые могут встречаться на практике, с тем, чтобы часть из этих реализаций не участвовала бы в обучении, а являлась экзаменационной. Экспериментальное получение таких реализаций сопряжено со значительными трудностями, которые связаны не только со сложностью создания источников нейтронного излучения с различными энергетическими спектрами, но и с фактическим отсутствием образцового спектрометрического радиометра нейтронного излучения, который бы позволял измерять спектральную плотность потоков нейтронов обучающей выборки.

Поэтому экспериментальный способ обучения нейронной сети практически неприемлем. Остается способ, базирующийся на имитационном моделировании. Этот способ реализуется путем математического моделирования спектров нейтронов в различных зонах ядерных реакторов и излучения радиоизотопных источников нейтронов (при этом для каждого заданного энергетического интервала должна автоматически подсчитываться усредненная спектральная плотность потока) и моделирования характеристик спектральных чувствительностей используемых детекторов. А далее производится синтез и обучение нейронной сети в среде одного из стандартных нейросетевых программных пакетов (Neural Networks Toolbox, входящий в пакет расширения системы MATLAB 7 SP 2 + Simulink 6, корпорации MathWorks или STATISTICA Neural Networks - нейросетевой пакет фирмы StatSoft) на полученном множестве моделей нейтронных потоков с различными формами энергетических спектров. В результате такого обучения определяются синаптические веса и смещения нейронов той нейронной сети, которая должна эмулироваться микропроцессорным контроллером прибора для восстановления энергетического спектра измеряемых потоков нейтронов. Этим обеспечивается реальная возможность создания спектрометрического радиометра для измерения нейтронных потоков с различными формами энергетического спектра.

Литература

1. http://www.Inergo.ru/catalog/element

2. Дозиметр-радиометр МКС-ОЗС. Техническое описание.

3. Климентов В.Б., Кончинский Г.А., Фрунзе В.В. Активационные измерения потоков и спектров нейтронов в ядерных реакциях. Изд. стандартов, 1974.

4. Групен К. Детекторы элементарных частиц: Справочное издание. Пер. с англ. Новосибирск: «Сибирский хронограф», 1999, 390 с.

Claims (2)

1. Способ измерения спектральной и интегральной плотности потоков нейтронов, заключающийся в использовании нескольких параллельно включенных детекторов нейтронного излучения, имеющих различные зависимости чувствительности от энергии нейтронов, отличающийся тем, что выходные сигналы этих детекторов обрабатываются совместно с помощью специально обученной нейронной сети, обеспечивая вычислительное восстановление энергетического спектра измеряемого потока нейтронов и вычисление по нему интегральной плотности измеряемого потока нейтронов и его производных характеристик, а сами детекторы подбираются таким образом, чтобы зависимости их чувствительностей от энергии нейтронов совместно перекрывали весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков.

2. Устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потоков нейтронов, реализующее способ по п.1, состоящее из блока детектирования и измерительного пульта, отличающееся тем, что блок детектирования состоит из параллельно включенных детекторов нейтронного излучения с различными зависимостями чувствительностей от энергии нейтронов, подобранных таким образом, чтобы эти зависимости совместно перекрывали весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков, последовательно соединенных с усилителями-нормализаторами выходных импульсов детекторов, а измерительный пульт состоит из контроллера, пульта управления, устройства индикации и устройства сигнализации, причем информационные входы контроллера соединены с выходами усилителей-нормализаторов блока детектирования, управляющие входы - с выходами блока управления, а выходы микроконтроллера - с устройством индикации и устройством сигнализации, при этом сам микроконтроллер эмулирует специально обученную нейронную сеть и обеспечивает программное вычисление по найденному энергетическому спектру интегральной плотности нейтронного потока и всех производных величин.

Images