Метод обнаружения и идентификации источников по спектрам испускаемых ими нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Оглавление.

Сокращения.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Методы детектирования и современные методы обработки спектров нейтронов.

1.1. Спектрометры нейтронов.

1.1.1. Пороговые радиоактивные индикаторы.

1.1.2. Сцинтилляционный счетчик.

1.1.3. Камеры деления.

1.1.4. Трековые детекторы.

1.1.5. Резонансные 1/и индикаторы.

1.1.6. Радиоактивные индикаторы.

1.1.7. Мультисферы.

1.1.8. Полупроводниковые детекторы.

1.2. Методы восстановления спектров нейтронов.

1.2.1. Полиномиальный метод.

1.2.2. Полигональный метод.

1.2.3. Метод разложения искомого спектра в ряд по ортонормированным функциям.

1.2.4. Экспрессный метод восстановления спектра быстрых нейтронов.

1.2.5. Метод SAND-II.

1.2.6. Метод SPECTRA.

1.2.7. Метод регуляризации.

1.2.8. Метод минимизации направленного расхождения.

Выводы.

Глава 2. Измерительно-контрольный комплекс аппаратуры (ИКЬСА).

2.1. Многослойный детектор нейтронов (МДН).

2.1.1. Основополагающие принципы, положенные в создание МДН.

2.1.2. Многослойный детектор нейтронов.

2.2. Ксеноновый гамма спектрометр (КГС).

2.3. Пульт питания комплекса.

2.4. Описание системы сбора данных.

2.4.1. Система сбора данных МДН.

2.4.2. Система сбора данных КГС.

Выводы.

Глава 3. Программное обеспечение измерительно - контрольного комплекса аппаратуры.

3.1. Методика определения чувствительности регистрирующих слоев МДН

3.2. Программное обеспечение методики определения чувствительности регистрирующих слоев МДН.

3.3. Разработка алгоритмов процессов для обнаружения и идентификации делящихся материалов.

3.4. Методика расчета порога обнаружения.

3.5. Интерфейс программного обеспечения для обнаружения и идентификации делящихся материалов.

Выводы.

Глава 4. Методика идентификация источников нейтронного излучения.

4.1. Методика восстановления спектра нейтронов.

4.2. Построение сплайн-функции.

4.2.1. Метод поиска положения узлов сплайн-функции.

4.2.2. Оценка погрешностей результатов восстановления спектров первичного нейтронного излучения.

4.3. Технология идентификации источников нейтронного излучения.

Выводы.

Глава 5. Проведение экспериментов с многослойным детектором нейтронов и обработка получаемых результатов.

5.1. Экспериментальное определение зависимости чувствительности МДН от энергии моноэнергетических нейтронов получаемых на линейном ускорителе В ан-де-Граафа.

5.2. Экспериментальное определение чувствительности МДН к потоку нейтронов.

5.3. Минимально обнаруживаемая масса делящегося материала.

5.4. Экспериментальное определение стабильности работы МДН.

5.5. Экспериментальные исследования по идентификации нейтронных источников.

5.6. Восстановление энергетического распределения потоков нейтронов.

Выводы.

Актуальность работы. К началу нового тысячелетия в мире накоплен большой опыт работ с применением радиоактивных и делящихся материалов (РиДМ). Аппаратура, созданная на их основе, позволяет достаточно точно определять и контролировать целый ряд физико-механических и технических параметров различного вида (например: толщину покрытия или детали, влажность капиллярно-пористого материала, расстояние до объекта, изотопный состав вещества и т.п.). Немаловажную роль, в жизни человека, играют и АЭС, вырабатывающие экологически чистую электроэнергию. Разработка ядерного оружия (ЯО) позволила создать надежный «ядерный щит» страны и предотвратить угрозу возникновения агрессии других стран на нашу территорию и страны союзников.

Однако, наряду с преимуществами применения достижений прикладной ядерной физики, существует потенциальная опасность бесконтрольного перемещения и использования радиоактивных, и особенно делящихся материалов, что может повлечь за собой не только загрязнение местности, но и привести к ядерной катастрофе на всей планете. Халатное и безответственное отношение, к столь опасным материалам, приводит к различным авариям и катастрофам. Наиболее значительные аварии в XX веке произошли в Кыштыме на Южном Урале (1957 год), Виндскэйле в Англии (1957 год), в Три Майл Айленде в штате Пенсильвании в США (28 марта 1979 года) и на Чернобыльской АЭС в Советском Союзе (26 апреля 1986 года). По данным Стокгольмского международного института по проблемам мира, с 1945 по 1976 гг. в мире произошло свыше 125 аварий, и в ряде случаев с взрывом бризантного вещества ядерных боеприпасов [22]. Последствием этих аварий были выбросы значительных количеств радиоактивных веществ, загрязнение больших массивов территории, переселение значительного количества людей. Эти катастрофы сопровождались сравнительно небольшим числом погибших в течение нескольких недель после аварии. Следовательно, главными ожидаемыми компонентами ущерба таких аварий могут являться социальные и экономические потери [8].

Задача установления полного контроля над несанкционированным перемещением радиоактивных и делящихся материалов является в настоящее время одной из важнейших технических задач. Реально существующие сегодня средства и методы учета, контроля и охраны этих материалов, к сожалению, не всегда обеспечивают стопроцентной их сохранности в надлежащих местах. Распространение ядерных материалов за сферу их контролируемого оборота представляет не только угрозу мирового масштаба для экологии, здоровья и жизни людей, но и основу для вторжения в сферу человеческих отношений ядерного шантажа и терроризма. По этой причине необходимо создание аппаратурных средств, позволяющих исключить несанкционированное перемещение ядерных материалов через контрольно-пропускные пункты, таможни, проходные предприятий и т.п.

Цель работы состояла: в разработке метода обнаружения и идентификации радиоактивного или делящегося материала и системы принятия решения, осно-выванного на работе измерительно-контрольного комплекса аппаратуры «NeGa»; в решении проблемы восстановления энергетического распределения потока нейтронов по показаниям многослойного детектора нейтронов; а также в исследовании основных характеристик этого детектора нейтронов.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в следующем: впервые разработаны и реализованы методы обнаружения и идентификации источников нейтронов в режиме реального времени с помощью многослойного детектора нейтронов; впервые разработана и реализована методика восстановления исходных энергетических спектральных характеристик потоков нейтронов по показаниям многослойного детектора; разработана и практически реализована методика проведения исследований многослойного детектора нейтронов на электростатическом ускорителе типа Ван-де-Граафа; исследованы характеристики многослойного детектора нейтронов, такие как: о зависимость чувствительности регистрирующих слоев многослойного детектора нейтронов от энергии нейтронов; о чувствительность регистрирующих слоев многослойного детектора нейтронов к спектру тепловых и быстрых нейтронов ( 252Q"); о минимально обнаруживаемая масса делящегося материала; о вероятность обнаружения нейтронного источника от его местоположения относительно лицевой поверхности детектора; о стабильность работы многослойного детектора нейтронов; создана система принятия решения об обнаружении радиоактивных материалов в режиме реального времени.

Содержание. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Эти выводы подтверждаются следующими результатами.

1. В работе предложен метод идентификации источников нейтронного излучения, основанный на отличи нейтронов спектра деления от спектра радионук-лидного изотопного источника нейтронов. При дальнейшем развитии этой методики, и улучшений спектрометрических характеристик многослойного детектора нейтронов, можно будет говорить о возможности определения нуклидного состава источника нейтронного излучения. Проверка работоспособности такого способа идентификации проводилась на действующих макетах нейтронного детектора. Полученные результаты подтвердили результаты расчетов, что говорит о возможности реализовать методику идентификации источников по спектрам испускаемых ими нейтронов.

2. В работе проведен анализ результатов экспериментов по определению зависимости чувствительности МДН от энергии нейтронов и сопоставление этих результатов с ранее полученными расчетными значениями. Полученные результаты хорошо согласуются с расчетными данными, и подтверждают работоспособность этой методики.

3. Проведен анализ применимости метода минимизации направленного расхождения для решения задачи по восстановлению энергетического распределения групп нейтронов по показаниям многослойных детекторов нейтронов. При решении некорректно поставленных задач (наличие статистической погрешности в результатах измерений и калибровочных характеристиках детек

Заключение

Основной итог диссертационной работы заключается в разработке методов обнаружения и идентификации источников нейтронного излучения по спектрам испускаемых ими нейтронов. Для достижения этого результата были физически обоснованы и созданы методика принятия решения об обнаружении делящегося материала; методика определения зависимости чувствительности регистрирующих слоев от энергии нейтронов; методика восстановления энергетического распределения групп нейтронов по данным, полученным от многослойных детекторов нейтронов, а также определены основные характеристики нейтронных детекторов.

1. Абдурашитов Д.Н., Гаврин В.Н., Ефимов Г.Д. и др. Спектрометр быстрых нейтронов. // Приборы и техника эксперимента, № 6, 1997, с.5.

2. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Энегроатомиздат, 1985, 488с.

3. Аваев В.Н. О форме спектрах замедлящихся нейтронов в поглощающих средах // Атомная энергия, 1965, т.18, с.584

4. Аллен В. Всеволновый счетчик нейтронов // Физика быстрых нейтронов. Техника эксперимента. М.: Госатомиздат, 1963, с.253.

5. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: "Высшая школа", 1994, 544 с.

6. Арсаев М.И. Сравнительные характеристики комбинированных и дисперсных воздухоэквивалентных сцинтилляторов. // Атомная энергия, 1971, т. 30, с. 64.

7. Бондаре Х.Я., Лапенас А.А. Методы спектров нейтронов по измеренным скоростям реакций в SAIPS. // Изв. АН Латв. ССР. Сер. Физ. и техн. науки. №2., 1980, с.З.

8. Белоус B.C. Роль фактора случайности в возникновении войны. США экономика, политика, идеология // АН СССР, Институт США и Канады. М.: Наука, 1990, №7, с. 28.

9. Быстрицкий В.М., Гребенюк В.М., Ревенко А.В. и др. О регистрирующей способности трековых детекторов CR-39 в вакууме. // Приборы и техника эксперимента, № 4, 1997, с. 12.

10. Волков Н.Г., Чубченко В.Г., Белов О.Х. Применение сплайнов для энергетической калибровки спектров. // Прикладная ядерная спектрометрия, М.: Атомиздат, 1977, вып. 4., с 177.

11. И. Власов Н.А. Нейтроны. М.: Наука, 1971, 511 с.

12. Горин Н.В., Литвин В.И., Казьмин Ю.М. и др. Расчетно-экспериментальные исследования особенностей спектра нейтронов ИГР. // Атомная энергия, 2000, т.89, вып. 3, с. 233

13. Горячев И.В., Колеватов Ю.И., Семенов В.П., Трыков Л.А. Интегральныеэксперименты в проблеме переноса ионизирующих излучений. Справочное руководство. М.: Энергоатомиздат, 1985, 56 с.

14. Деденко Г.Л., Кадилин В.В., Самосадный В.Т. и др. Расчетное исследование характеристик многослойного детектора нейтронов. // Научная сессия МИФИ-2001. Сборник научных трудов. В 14 томах. Т.5. М.: МИФИ, 2001, с. 116.

15. Дмитренко В.В., Грачев В.М., Улин С.Е. и др. Методика обработки информации, получаемой с гамма-детектора на основе сжатого ксенона.//Научная сессия МИФИ-2000. Сборник научных трудов. Т. 5. М.: МИФИ, 2000, 212с.

16. Дмитренко В.В., Грачев В.М., Улин С.Е. и др. Гамма-спектрометры на сжатом ксеноне. // Приборы и техника эксперимента, 1999, № 5, с. 114.

17. Дмитренко В.В., Самосадный В.Т., Кадилин В.В. и др. Измерительно-контрольный комплекс аппаратуры для обнаружения ядерных материалов.// Приборы и системы управления, №9, 1998, с. 60.

18. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. М.: Наука, 1980, 336 с.

19. Кадилин В.В., Лягушин В.И., Разумов Ю.А. и др. Разработка методики исследования полей нейтронов в околоземном космическом пространстве. // Ядерно-физические методы исследования материалов атомной техники. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 56.

20. Кириллов В.М. Физические основы радиационной и ядерной безопасности.

21. M.: Ракетные войска стратегического назначения, 1992, 62 с.

22. Ковальчук В.Д., Троцик В.И., Ковальчук В.Д. Алмазный детектор как спектрометр быстрых нейтронов. // Приборы и техника эксперимента, № 1, 1995, с. 29.

23. Колеватов Ю.И., Семенов В.П., Трыков J1.A. Спектрометрия нейтронов и гамма-излучения в радиационной физике. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.296

24. Крамер-Агеев Е.А., Лавренчик В.Н., Самосадный В.Т., Протасов В.П. Экспериментальные методы нейтронных исследований. М.:Энергоатомиздат, 1990, 272 с.

25. Крамер-Агеев Е.А. , Тараско М.З., Тихонов Е.Г. Применение метода направленного расхождния для восстановления дифференциального спектра быстрых нейтронов. // Вопросы дозиметрии и защиты от излучений. М.: Атомиздат, 1970, вып. 11, с.125.

26. Крамер-Агеев Е.А. , Трошин B.C., Тихонов Е.Г. Активационные методы спектрометрии нейтронов. М.: Энергоатомиздат, 1976, 232 с.

27. Крамер-Агеев Е.А. , Трошин B.C., Фатеев Г.Н. Простой метод восстановления дифференциального спектра быстрых нейтронов из интегрального спектра. // Вопросы дозиметрии и защиты от излучений. М.: Энергоатомиздат, вып. 20, 1980, с. 110.

28. Ларцев В.Д. Подпрограммы MNRU1 и MNRSVD решения системы линейных алгебраических уравнений с помощью метода минимизации направленного расхождения. Отчет ВНИИТФ. Инв.№ ПС 88.3284, 1988, 46 с.

29. Морозов В.А., Гребенников А.И. Методы решения некорректных задач. -М.: МГУ, 1992, 320 с.

30. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М.: МИКАП, 1994, 382 с.

31. Патент РФ №2102775 на изобретение 29.01.98. "Устройство для регистрации потоков нейтронов".

32. Практическое руководство по сплайнам. М.: Радио и связь, 1985, 304 с.

33. Пташный В.Д., Птицына Н.В., Старцев А.Н. Расчет числа регистрации вЛслоях нейтронного детектора на Не . Отчет ВНИИТФ, 1998г, 26 с.

34. Самосадный В.Т., Кадилин В.В., Улин С.Е. и др. Годовой научно-технический отчет по первому году выполнения Соглащения МНТЦ №34896, 1997г, 89 с.

35. Самосадный В.Т., Кадилин В.В., Улин С.Е. и др. Годовой научно-технический отчет по второму году выполнения Соглащения МНТЦ №34896, 1998г, 97с.

36. Самосадный В.Т., Кадилин В.В., Улин С.Е. и др. Годовой научно-технический отчет по третьему году выполнения Соглащения МНТЦ №34896, 1999г, 131с.

37. Самосадный В.Т., Кадилин В.В., Ярохно В.В. и др. Экспрессный метод выделения энергетических групп нейтронов с помощью многомодульного детектирующего устройства // Атомная энергия, Т.85, В.З, 1998, с. 12

38. Самосадный В.Т., Минаев В.М., Грузин П.Л. и др. Определение спектральных характеристик изотопных источников нейтронов парными сцинтилля-ционными кристаллами типа Lil. // Атомная энергия, т.19, вып. 5, 1965, с. 9.

39. Севастьянов В.Д., Хлопина В.Г., Салтыков Л.С. и др. Разработка средств и методов спектрометрии низкоинтенсивных потоков нейтронов. Отчет ВНИИФТРИ, 1992, 82с.

40. Семенов В.П., Трыкова Л.А., Фадеева Ю.В. и др. Мультисферный спектрометр с полупроводниковым детектором тепловых нейтронов. // Приборы и техника эксперимента, № 5, 1974, с. 6.

41. Столярова E.JI. Нейтронные спектрометры и их применение в прикладных задачах. М., Атомиздат, 1969, 240 с.

42. Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ№ 1446. Обнинск, 1983, 16с.

43. Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р. Спектрометрия нейтронов высоких энергий в полях излучений за защитами ускорителей объединенного института ядерных исследований. // Приборы и техника эксперимента, № 3, 1992, с. 67.

44. Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р. Спетрометрия нейтронов с энергией > 20 МэВ для исследования в области радиационной физики. // Приборы и техника эксперимента, № 3, 1989, с. 42.

45. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.:Наука, 1986, 288с.

46. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягла А.Г. Регуляризирую-щие алгоритмы и априорная информация. М.: Наука, 1983, 200с.

47. Туровцева Л.С., Турчин В.Ф. Метод статистической регуляризации. Препринт ИПМ №30. М., 1971, 31с.

48. Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. -М.: Энергоатомиздат, 1989, 184с.

49. Шкурпелов А.А., Демидов Л.И., Гаджиев Г .И., Фофанов B.C. Использование метода регуляризации для нахождения спектра нейтронов. // Метрология нейтронного излучения на реакторах и ускорителях. Тр.1 Всесоюз. совещания. М.: Стандарты, Т.2., 1978, с. 124.

50. Чигирь Д.С. Быстрое сглаживание экспериментальных данных методом наименьших квадратов с использованием сплайнов. // Автоматизация научных исследований в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 38.

51. Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов.114

52. Под ред. д.т.н. Ю.А. Егорова, М., Атомиздат, 1974, 392с.

53. Dierksa R. Unfolding of neutron spectra measured by foil activation techniques. // Метрология нейтронных измерений на ядерно-физических установках (рекомендуемые справочные данные и методика измерений). М.: ЦНИИа-томинформ, ВНИИФТРИ, Т.1, 1976, с. 132

54. Moteff J., Beever E.R., Status of threshold and resonance neutron detectors. // Selected topics of dosimetry, Vienna: IAEA, 1961, p.383

55. Vilet Vaciav, Kumar Anil. Energy response of Bonner spheres to neutrons in parallel beam and point source geometries. Nucl. Instrum. and Meth. Phys. Res., A271, #3, 1988, p. 607.