<<
>>

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Непрерывно возрастающий удельный вес атомной энергетики в мировой и отечественной энергетике и регулярное уже­сточение норм радиационной безопасности для предприятий атомной отрасли, пер­сонала и населения настоятельно требуют совершенствования приборного обеспе­чения мониторинга радиационной обстановки на территории этих предприятий и окружающей местности и дозиметрии их персонала.

Между тем явно углубляется противоречие между ужесточающимися нормами радиационной безопасностями и техническими возможностями существующей аппаратуры контроля радиационной обстановки [1-6], измерений ионизирующих излучений различных видов и дози­метрии. Парк используемых для этих целей контрольно-измерительных средств ба­зируется, в основном, на радиометрическом методе измерения ионизирующих из­лучений. Более прогрессивный и достоверный спектрометрический метод исполь­зуется, главным образом, в лабораторной практике и ядерно-физических исследо­ваниях. Основным недостатком радиометрического метода, использующего инте­гральный отклик детектора на измеряемый поток излучения, является зависимость отклика детекторов не только от плотности измеряемого потока, но и от его энер­гии. Поэтому, если энергетический спектр измеряемого потока излучения не соот­ветствует спектру потока той поверочной установки, по которой он градуировался и поверялся, то появляются энергетические погрешности, которые по своей вели­чине могут многократно превосходить паспортные погрешности прибора, опреде­лённые для потока, создаваемого на поверочной установке. Величина этих погреш­ностей зависит от вида и энергетического диапазона измеряемых излучений, типа и конструктивных параметров используемых детекторов, а также степени вариа­тивности формы спектров измеряемых излучений. При сильном несоответствии спектра измеряемого излучения спектру излучения той поверочной установки, на которой данный прибор калибровался и поверялся, величина энергетической по­грешности может в разы, и даже десятки раз превосходить паспортную погреш­ность данного приборы, определяемую на данной поверочной установке.
Причём,

сами эти установки аттестуются лишь по активности используемого первичного источника нейтронов и флюенсу создаваемого им потока нейтронов, но не по спек­тру создаваемого ими потока [7-12].

Особенно сложное положение сложилось в области измерений и дозиметрии нейтронного излучения. Это определяется, во-первых, чрезвычайно широким энер­гетическим диапазоном нейтронных потоков, с которыми приходится иметь дело на практике. Он простирается от сотых долей электрон-вольта до 20 МэВ, т. е. на девять порядков (для сравнения: энергетический диапазон практически значимых гамма-излучений имеет ширину всего лишь в два порядка: от 0,03 до 3 МэВ). В таком диапазоне энергий чувствительность применяемых нейтронных детекторов изменяется в тысячи раз, что и создаёт неопределённость результатов измерений. Даже при измерении плотности нейтронного потока энергетические погрешности нейтронных радиометров могут в десятки раз превзойти паспортные значения их погрешностей, определённые на конкретной поверочной установке. Ещё хуже си­туация с нейтронными дозиметрами, поскольку биологическое действие излучения определяется не плотностью потока, а энергией излучения, поглощённой биологи­ческой тканью, определяемой энергетическим спектром излучения, что приводит к ещё большей неопределённости при измерении дозы. Между тем, по проникающей способности и биологическому действию нейтронное излучение относится к са­мым опасным. При достаточной энергии нейтронов возможны ядерные реакции с вылетом из ядра протонов, альфа-частиц, бета-частиц и нейтронов, в результате чего образуются, как правило, радиоактивные изотопы и при их распаде излуча­ются гамма-кванты. Это приводит к тому, что помимо разовой дозы в биологиче­ской ткани возникают внутренние источники радиоактивности, длительность дей­ствия которых определяется периодом полураспада образовавшихся радиоактив­ных изотопов.

Кардинальное решение этой проблемы возможно лишь при переходе к спек­трометрическому методу измерений нейтронных излучений.

Но задача измерения энергетического спектра произвольных нейтронных потоков в режиме реального

времени чрезвычайно сложна, в силу того, что нейтронное излучение является кос­венно ионизирующим, но, в отличие от гамма-излучения (которое тоже является косвенно ионизирующим) не создаёт вторичных заряженных частиц, энергия кото­рых однозначно связана с энергией породивших их нейтронов (гамма-кванты за счёт фотоэффекта всю свою энергию передают фотоэлектронам, энергия которых и измеряется в гамма-спектрометрах). Существующие лабораторные методы изме­рения энергетического спектра нейтронного излучения, не отвечают требованиям оперативности, реализуются с использованием сложного и дорогого оборудования и требуют квалифицированного персонала. Многократные попытки приборной ре­ализации нейтронных спектрометров в силу указанных сложностей приводили лишь к созданию экспериментальных образцов приборов, нашедших применение лишь в исследовательской практике.

В данной диссертационной работе исследуется возможность создания про­мышленного спектрометра-дозиметра нейтронного излучения путём использова­ния нескольких параллельно работающих нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками, совместно перекрывающими весь энергетиче­ский диапазон измеряемых нейтронных потоков, с вычислительным восстановле­ния спектра измеряемого излучения по их откликам на измеряемый поток.

Степень разработанности проблемы. Для реализации идеи многодетектор­ного нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени необходимо иметь детекторы с разнообразными и достоверно известными спектральными характери­стиками. Но выпускаемые промышленностью нейтронные детекторы не аттесту­ются по спектральной чувствительности. Более того, не существует ни методов их экспериментального определения, ни технологий их принудительного варьирова­ния. Это - одна из главных причин того, что идея многодетекторного нейтронного спектрометра до настоящего времени не была реализована.

Теорией взаимодействия нейтронного излучения с веществом занимались ве­дущие физики и за рубежом, и в нашей стране. Мировую известность получили монографии Б. Дэвисона (B. Davison) [Теория переноса нейтронов. М.: Атомиздат, 1960], Е.А. Власова [Нейтроны. М.: Атомиздат, 1971]. Измерениями нейтронных

излучений, включая и спектрометрию, занимались многие зарубежные и отече­ственные учёные: R.L. Bramblet, R.I. Ewiiign T.W. Bonner (1960), впервые предло­жившие концепцию многошарового нейтронного спектрометра, получившего до­статочно широкое применение в США и странах Западной Европы в ядерно-физи- ческих исследованиях, F. D. Brooks и H. Klein (2002), обобщившие мировые дости­жения в области нейтронной спектрометрии, D.J.Tomas и A.V. Alevra (2002). про­ведшие критический анализ корректности измерений спектров нейтронного излу­чения с помощью многошаровых спектрометров, V. Mares, G. Schraube и H. Schraube (1991), выполнившие детальный анализ используемых методов вычис­лительного восстановления спектров нейтронного излучения по результатам изме­рений с использованием многошарового спектрометра и другие. В нашей стране спектрометры Боннера не получили широкого применения, но была предложена другая концепция построения спектрометра быстрых нейтронов с использованием детектора на основе органического кристалла: В.П. Семёнов, Л.А. Трыков, Ю. И. Колеватов (1976, 1985, 1991). Вопросы метрологического обеспечения нейтронных измерений, включая и спектрометрические измерения, исследовались Р.Д. Василь­евым (1972, 1974, 1976), Ю.И. Брегалзе, Э.К. Степановым, В.П. Ярына, П.Ф. Мас- ляевым (1974, 1975, 1976, 1978, 1979, ,1980, 1987, 1990, 2012, 2016, 2018).

Однако, по разработке методов исследования спектральных характеристик нейтронных детекторов публикаций не обнаружено. Имеются лишь публикации по исследованию сечений взаимодействия нейтронов различных энергий с различ­ными веществами (в том числе и веществами, используемыми в нейтронных детек­торах), а также по расчёту «функций чувствительности» сфер-замедлителей нейтронов различных диаметров, используемых в многошаровых спектрометрах. Таким образом, эта область осталась не исследованной.

Работа выполнялась при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Федераль­ной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: «Создание нового поколения спектрометриче­ских приборов измерения ионизирующих излучений и дозиметрического контроля

и систем жизнеобеспечения спецобъектов с ядерными реакторами на их основе», госконтракт № 2009-1.1-226-012.

Работы по созданию установки генерирования опорных нейтронных полей выполнялась при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта “Мет­рологическое обеспечение нейтронной спектрометрии” № 16-38-00482 мол_а».

Цель диссертационной работы: разработка расчётных и эксперименталь­ных методов исследования спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов, моделирование многодетектороного нейтронного спек­трометра-дозиметра и подбор их оптимальной комбинации, обеспечивающей ми­нимизацию погрешностей восстановления спектров измеряемых потоков.

Для достижения цели в диссертационной работе решались следующие за­дачи:

1 Анализ современного состояния измерений нейтронных потоков, нейтрон­ной спектрометрии и дозиметрии.

2 Разработка технологий воздействия на спектральные характеристики сцин­тилляционных нейтронных детекторов путём изменения толщины сцинтиллятора, добавления в его состав бора-10, использования фильтрующих покрытий сцинтил­ляторов и многопороговой амплитудной дискриминации выходных импульсов де­тектора, а также методов их расчёта.

3 Математическое моделирование многодетекторного нейтронного спектро­метра реального времени с использованием различных комбинаций детекторов с целью выбора их оптимальной комбинации.

4 Разработка метода генерирования опорных нейтронных полей с различ­ными формами энергетических спектров от одного первичного радиоизотопного источника нейтронов и разработка испытательной установки для генерирования опорных нейтронных полей с различными формами энергетических спектров для экспериментального исследования спектральных характеристик нейтронных де­текторов и проведения поверки нейтронных радиометров, спектрометров и дози­метров.

5 Разработка метода и реализующих его методик экспериментального опре­деления спектральных характеристик нейтронных детекторов в опорных нейтрон­ных полях с различной формой спектров.

Решение указанных задач позволит приступить к разработке промышленного многодетекторного нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени.

Объект исследования: спектрометрические методы измерения нейтронного излучения с автоматическим вычислением дозовых характеристик для контроля безопасности ядерных объектов.

Предмет исследования: расчётные и экспериментальные методы определе­ния спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов и ис­пытательная установка для их измерения и поверки разрабатываемого нейтронного спектрометра-дозиметра.

Методы исследования: методы имитационного моделирования ядерно-фи- зических процессов взаимодействия нейтронного излучения с активным веще­ством нейтронных детекторов с использованием вычислительных методов Монте- Карло, методы имитационного моделирования с использованием нейросетевых технологий, экспериментальные методы исследования.

Научная новизна:

1 Выявлены неизвестные ранее закономерности принудительного воздей­ствия на спектральные характеристики полистирольных сцинтилляционных детек­торов путём изменения толщины сцинтиллятора, добавления в его состав бора-10, активно взаимодействующего с медленными нейтронами, использовании фильтру­ющих покрытий сцинтилляторов, поглощающих нейтроны низких энергий, и ис­пользования нескольких порогов амплитудной дискриминации выходных импуль­сов детектора, что позволяет получать от одного детектора несколько измеритель­ных каналов с различными спектральными характеристиками, и проведены рас­чёты спектральных характеристик этих детекторов с использованием макроскопи­ческого и микроскопического подходов.

2 Разработаны алгоритмы и реализующее их ПО, обеспечивающее новое ка­чество восстановления спектров произвольных нейтронных потоков по откликам

параллельно работающих детекторов с различной формой спектральных характе­ристик с помощью заранее обученной нейронной сети, что позволило выбрать оп­тимальную комбинацию детекторов изначального множества и определять по­грешности восстановления спектров для каждой комбинации.

3 Разработан и реализован в прототипной испытательной установке новый метод получения опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров от одного первичного источника нейтронов путём помещения первичного радиоизотопного источника нейтронов в коллимирующую систему из водородсо­держащего материала с последовательной установкой в канал коллиматора замед­лителей нейтронов в виде дисков различной толщины из водородсодержащего ма­териала, и выполнен расчёт спектров получаемых нейтронных полей методом Монте-Карло с использованием микроскопического подхода.

4 Разработан метод исследования спектральных характеристик нейтронных детекторов в опорных нейтронных полях с различной формой энергетических спек­тров, обеспечивающий возможность экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1 Разработаны технологии получения нейтронных детекторов с различными и достоверно известными спектральными характеристиками, что открывает пер­спективу создания переносного многодетекторного нейтронного спектрометра-до­зиметра реального времени с широким энергетическим диапазоном.

2 Проведено математическое моделирование многодетекторных нейтронных спектрометров с различными комбинациями сцинтилляционных детекторов, что позволило выбрать наилучшую их комбинацию по критерию минимизации ошибок восстановления спектров исследуемых нейтронных потоков.

3 Разработана и экспериментально исследована испытательная установка, позволяющая получать от одного первичного источника нейтронов опорные нейтронные поля с различной формой энергетических спектров, которая может ис­пользоваться для экспериментального определения спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов и является прототипом промышленной

образцовой поверочной установки для проведения калибровки и поверки разраба­тываемых нейтронных спектрометров-дозиметров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Технологии воздействия на спектральные характеристики полистирольных сцинтилляционных детекторов и расчёт их спектральных характеристик.

2 Минимизация ошибок вычислительного восстановления спектров нейтрон­ных потоков путём имитационного моделирования многодетекторных нейтронных спектрометров с различными комбинациями нейтронных детекторов.

3 Метод генерирования опорных нейтронных полей с различной формой спектров от одного первичного радиоизотопного источника нейтронов, его реали­зация в виде испытательно-поверочной установки и расчёт спектров, получаемых на ней опорных нейтронных полей.

4 Метод и реализующие его методики экспериментального определения спектральных характеристик нейтронных детекторов в опорных нейтронных полях с различной формой спектров.

Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием в расчётной части диссертации постоянно расширяемой и совершенствуемой биб­лиотеки программ GEANT-4, широко применяемой в мировой практике для прове­дения разнообразных ядерно-физических расчётов, применением хорошо апроби­рованных методов разработки программных продуктов и подтверждается резуль­татами экспериментальных исследований.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 Международ­ной научно-технической конференции «Диагностика - 2009» (Курск, КурскГТУ, 2009 г.), VII Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2010 г.), 2-й Международной. научно-технической конференции «Диагностика-2011» (Курск, 2011 г.), Х-й конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускори­телям (Харьков, ННЦ ХФТИ, 2012 г.), 3-й Международной научно-технической конференции “Диагностика-2013” (Курск, 2013 г.), I-м Международном симпози­

уме «Компьютерные измерительные технологии» (Москва, 2015 г.), III-й Между­народной научно-технической конференции Информационные системы и техноло­гии (Орёл, 2015 г.), XII-й Международной научно-практической конференции «Ин­новации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2015 г.), III-й Всероссийской научно-практической конференции «Инфокоммуни- кации и информационная безопасность: состояние, проблемы и пути решения» (Курск, 2016 г.), XIII Международной научно-технической конференции «Оптико­электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 2017 г.), XIV-й Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи. 2017 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научных работы, в том числе 1 монография, 3 статьи, индексируемые в международной наукометрической базе Scopus и 3 статьи в научных рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора. Вынесенные на защиту положения разработаны со­искателем лично. Все разработанные программные продукты по проведенным в данной работе расчётам разработаны соискателем лично. Написанные с соавторами опубликованные работы базируются на полученных соискателем расчётных и экс­периментальных результатах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четы­рёх глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименований, и 2 приложения. Основная часть работы изложена на 132 страницах текста, включает 37 рисунков и 10 таблиц.

<< | >>
Источник: ЛОГВИНОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск, 2019. 2019

Еще по теме ВВЕДЕНИЕ:

  1. Статья 142. Законы, указы и другие акты, действовавшие на территории Республики Беларусь до введения в действие настоящей Конституции, применяются в части,
  2. Статья 140. Конституция, законы о внесении в нее изменений и дополнений, о введении в действие указанных законов, акты о толковании Конституции считаются принятыми, если
  3. СОДЕРЖАНИЕ
  4. Статья 98. Совет Республики:
  5. КОНСТИТУЦИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 1994 ГОДА,
  6. *В соответствии со статьей 1 Закона Республики Беларусь «О порядке вступления в силу Конституции Республики Беларусь» вступила в силу со дня ее опубликования.
  7. РАЗДЕЛ І ОСНОВЫ КОНСТИТУЦИОННОГО СТРОЯ
  8. Статья 1. Республика Беларусь - унитарное демократическое социальное правовое государство.
  9. Статья 2. Человек, его права, свободы и гарантии их реализации являются высшей ценностью и целью общества и государства.
  10. Статья 3. Единственным источником государственной власти и носителем суверенитета в Республике Беларусь является народ.
  11. Статья 4. Демократия в Республике Беларусь осуществляется на основе многообразия политических институтов, идеологий и мнений.
  12. Статья 5. Политические партии, другие общественные объединения, действуя в рамках Конституции и законов Республики Беларусь, содействуют выявлению и выражению политической воли граждан, участвуют в выборах.
  13. Статья 6. Государственная власть в Республике Беларусь осуществляется на основе разделения ее на законодательную, исполнительную и судебную.
  14. Статья 7. В Республике Беларусь устанавливается принцип верховенства права.
  15. Статья 8. Республика Беларусь признает приоритет общепризнанных принципов международного права и обеспечивает соответствие им законодательства.
  16. Статья 9. Территория Республики Беларусь является естественным условием существования и пространственным пределом самоопределения народа, основой его благосостояния и суверенитета Республики Беларусь.
  17. Статья 10. Гражданину Республики Беларусь гарантируется защита и покровительство государства как на территории Беларуси, так и за ее пределами.
  18. Статья 11. Иностранные граждане и лица без гражданства на территории Беларуси пользуются правами и свободами и исполняют обязанности наравне с гражданами Республики Беларусь,