Экспериментальное исследование * влияния отражателя на пространственное распределение тепловых нейтронов в полубеоконечной среде от источника быстрых нейтронов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 296 1976

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ НА ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ В ПОЛУБЕСКОНЕЧНОЙ СРЕДЕ ОТ ИСТОЧНИКА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

Ю. П. ПАХОМОВ, Г. Ш. ПЕКАРСКИИ, В. П. ШАБАЛИН

(Представлена научным семинаром научно-исследовательского института

э л ект ро нной ¡ин троек опии)

В настоящее время широко применяются нейтронные методы в тол-щинометрии, дефектоскопии, при измерении влажности и в делом ряде геофизических задач. Источником информации в этих методах являются как прошедшее или отраженное излучение, так и продукты ядерных реакций. Естественно, что определяющее влияние на основные параметры метода (чувствительность, производительность, глубинность и т. п.) оказывает пространственное распределение нейтронов в исследуемом объекте. В свою очередь пространственное распределение нейтронов в среде определяется спектральным составом нейтронов, испускаемых источником, наличием отражателя, материалом и линейными размерами отражателя, а также химическим составом среды и ее плотностью. При этом использование отражателя дает возможность, во-первых, увеличить абсолютное значение потока тепловых нейтронов в исследуемом объекте, а во-вторых, изменением размеров и материала отражателя активно влиять на пространственное распределение нейтронов в нем с целью оптимизации параметров контроля.

Имеющиеся результаты теоретических исследований пространственного распределения тепловых нейтронов от источника быстрых нейтронов получены для частных случаев точечного и плоского источников в бесконечной среде [1, 2]. Для отражателя конечных размеров, пространства между отражателем и исследуемой средой и источника со сплошным спектром нейтронов аналитическое решение уравнения переноса нейтронов невозможно, а метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) довольно сложен и требует большого объема вычислений (в особенности на больших расстояниях от источника). Определенные преимущества в этом случае имеют экспериментальные исследования, поэтому нами проводилось экспериментальное определение влияния размеров и материала отражателя на пространственное распределение тепловых нейтронов в полубесконечной среде.

Измерение потока тепловых нейтронов проводилось методом радиоактивных индикаторов. В качестве детектора тепловых нейтронов использовались индиевые фольги толщиной 100 мг/см2. Для устранения влияния активации индиевых фольг эпитепловыми нейтронами на измерение потока тепловых нейтронов использовался метод кадмиевой разности. Индиевые фольги облучались дважды в одной точке с экраном из кадмия и без него. Толщина кадмиевого экрана составляла 0,5 мм.

Поток тепловых нейтронов вычислялся по формуле [3]

1

ф = -7771-=ПГч (n - Fcd-Hcd)

см2 мин

k-Sact-V(l -е-^)

где Sact — макроскопическое сечение активации In115, см-1;

V — объем фольги, см3;

ti — время облучения фольги, мин;

t2—время выдержки фольги, мин;

п и nia—скорости счета индиевой фольги без экрана из кадмия и с экраном соответственно (за вычетом фона), мин-1;

FCd — поправка на поглощение резонансных нейтронов в кадмии;

т — поправка на время измерения;

к — коэффициент, характеризующий эффективность регистрации р-излучения.

В работе использовался Pu—¡Be источник с выходом 4-Ю6 н/сек, отражатели из парафина и графита. Закономерности влияния линейных размеров отражателя на пространственное распределение тепловых нейтронов исследовались для отражателя из парафина. В качестве исследуемой среды использовался полубесконечный объем песка. Влажность во время измерений поддерживалась постоянной и равной 2,7 веса процента.

Геометрия измерений представлена на рис. 1. На рис. 2 и 3 представлены распределения тепловых нейтронов по радиусу и глубине соответственно.

Из полученных результатов следует, что использование отражателя дает возможность:

1. Увеличить поток тепловых нейтронов на глубинах до 10 см более чем в 10 раз, а на глубинах свыше 10 см в 2—3 раза по сравнению с потоком тепловых нейтронов от источника без отражателя.

2. Активно влиять на распределение тепловых нейтронов по глубине и получать нужный характер распределения. Так, источник без отражателя создает поле тепловых нейтронов с максимумом на глубине 20-^30 см. Использование отражателя из графита с линейными размерами, соизмеримыми с размерами отражателя из парафина, позволяет сдвинуть максимум в область меньших глубин порядка 10 см. Применение водородсодержащего отражателя (с линейными размерами не меньше одной длины замедления) приводит к максимуму потока тепловых нейтронов на поверхности среды. Возможно также получение равномерного распределения до глубины ~40 см без ярко выраженного максимума (геометрия 3, рис. 1).

3. Получить некоторую «фокусировку» потока тепловых нейтронов в сравнении с источником без отражателя. Иллюстрацией являются данные рис. 4, где представлены зависимости числа нейтронов N, пересекающих площадку радиуса г, от радиуса этой площадки.

При оценке погрешности измерений было установлено, что основной вклад в ошибку измерения абсолютного значения потока вносят: статистическая погрешность, погрешность в определении объема фольги и погрешность, связанная с учетом поглощения, обратного рассеяния и самопоглощения р-излучения в индиевых фольгах. Наибольшая погрешность абсолютных измерений составила в эксперименте 40%.

Сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами расчета методом Монте-Карло [4] свидетельствует о том, что в пределах точности эксперимента и статистической точности расчета наблюдается достаточное соответствие. Результаты сравнения приведены в табл. 1.

а.

6.

Е1_.

6.

фЗОО

///////////// г.

Фт

д.

ТТГ'

>7777777777777

е.:

лоо

Штш

нж

^гтя / ^ 6

3.

/////; / / / / / / у/

и.

Рис. 1. Геометрия эксперимента: Б — источник быстрых нейтронов, вч-з — отражатели из парафина, и — отражатель из графита.

6.0

5,0 2,5

2,0

С1

'I 15

&

1,0

0,5

40

■49 Ц8

О 7

§ гч

л

г;

% ''

л

0,1

В-11 = 0см х-Ь=10см д-Н=20см

г \ \ 7

14

1

НЧ^

О- \1 24

3,0 2.5

2Л ',5

1,0

0,5

\

\

\ В-Ь-Осм х~Ь =Юсм 7-Л =Юсм

*

г »к' т \

12 24 56 48 г[си} О 12 24 56 48 г[см]

0~ь -осм х-Л -10см У-Ь -20см + -/7 -ЫОСМ

'у

к

¿5

Ю

03

—Л 3~'п = Осм х-,Ь = Юсм У-Н = 20см + -Ь - 40см

ч

V

к

■о 12 24 36 48 вУ

12 24 35 48 гШ

г)

<

о -Н -Осм х-Ь -1 Осм v-h =20 см + -/? -40см

\

Л

1,0 0,9 0,8 0,1 0,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

с -Ь -Осм * -Л 40см ? "Н =20см ♦-Ь -40см

<

\

N :

\

с } ---

'X

Рис. 2. Про-стране т в е н-ное распределение потока тепловых нейт р о н о в; а — геомет рия б, рис. 1 б — геомет рия в, рис. 1 в — геомет рия г, рис. 1 г — геомет рия и, рис. 1 д — геомет рия ж, рис. 1 е — геометрия з, рис. 1.

38 д)

48 г[см1

О 12 24

35 е>

48 г[см]

I__I

¿и

С

8 1 6 5

4 ^

2 г

л

ю

9 8 7 ' 6

У ~~4

/7 = 0 3

< Оо Со

С». £

СЪ 3: » 1

/ Г--— Д:

/, / )

/ > V

/ __

V

•э к о, ~ 3:

10 9 8 7 6

5 +

3

2

/

<5> Н

/5

2

/(

0 11 24 /•[оД 0 12 24 35 4В г[см]

-

И*20

У

А к

А / 4

Ь

/ У,

А У

У

О, ц

Л = 4 0

5/

О 12 24 36 48 г [СМ] О

Рис.3

12 24 36 48 г [см]

Рис. 3. Число нейтронов через площадку радиуса г: 1 — источник без отражателя (а, рис. 1); 2 — отражатель парафиновый (в, рис. 1); 3 — отражатель парафиновый (2, рис. 1); 4 — отражатель парафиновый (ж, рис. 1); 5 — отражатель парафиновый (и, рис. 1).

30

а

4 #

10

/ г У

1 2 3

Гиеитр ¡см 2 на н]

Рис. 4. Зависимость распределения тепловых нейтронов по глубине от материала и размеров отражателя:

1 — геометрия б, рис. 1;

2 — геометрия з, рис. 1

3 — геометрия и, рис. 1;

4 — геометрия г, рис. 1.

Таблица 1 г=0 см

Глубина Ъ, см Эксперимент т. н. Расчет т. н.

(см2 • сек) (см2 • сек)

0 1,2 . Ю-4 1,8- 10"4

10 7,9 • Ю-5 8 • Ю-5

20 6,2- Ю-5 5,2- 10"5

30 4,7 • Ю-5 3,5 • Ю-5

Сравнение результатов экспериментального определения потока (геометрия в, рис. 1) и расчета методом Монте-Карло кривая 2, рис. 1 в работе [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Б. Дэвисон. Теория переноса нейтронов. Перевод с англ. Под ред. Г. И. Марчука. М., Атомиздат, 1960.

2. К. Бекурц, К. Виртц. Нейтронная физика. Перевод с англ. Под ред. Л. А. Микаэляна и В. И. Лебедева. М., Атомиздат, 1968.

3. Г. Б о у э н, Д. Гиббоне. Радиоактивационный анализ. Перевод с англ. Под ред. И. П. Алимарина. М., Атомиздат, 1968.

4. П. Ю. П а х о м о в, Г, Ш. Пекарский. Расчет методом Монте-Карло распределения тепловых нейтронов в полубесконечной среде от точечного изотропного источника с отражателем. Настоящий сборник.