CN107024712A - 一种测定235u质量的装置 - Google Patents

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周浩
刘国荣
李井怀
鹿捷
梁庆雷
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Abstract

本发明公开了一种测定235U质量的装置，装置主要由闪烁体探测器和中子源组成，闪烁体探测器探测头端相互接触构成正多边形结构，中子源置于正多边形结构内部。该发明提供一种采用液体闪烁体探测器为基础的，成本低、测量精度高的235U质量测定装置。

Description

一种测定235U质量的装置
技术领域
本发明属于核保障核查技术领域，特别涉及一种测定235U质量的装置。
背景技术
核材料质量的测量是核保障核查技术非常关注的焦点之一，其中235U质量的测量一直是NDA(Non-Destructive Assay，非破坏分析)测量的难点。235U质量的NDA测量一般采用基于3He正比计数管的热中子测量装置及其相应测量和分析方法，目前相关技术已经比较成熟并且广泛应用于各种核设施中。但这种传统技术在应用上存在两个缺点：一是当裂变中子之间的时间关联信息从ns量级慢化成us量级后，在进行符合测量或多重性测量时，偶然符合对测量结果的干扰较大，分析精度受限，难以进一步提高。二是3He是核武器生产的副产品，近年来各国已基本停止新生产核武器，3He以过去的库存供应为主，其价格逐年上涨，导致设备成本较高(一套包含100根3He管的典型测量装置的设备成本约1000万)，从而限制了其大规模应用。因此，无论是出于技术发展还是控制设备成本的目的，研究新型探测器及相应测量技术一直是国际前沿的研究热点，也是研究难点。
发明内容
(一)发明目的
本发明克服了现有技术的不足，提供一种采用液体闪烁体探测器为基础的，成本低、测量精度高的235U质量测定装置。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供的技术方案如下：
一种测定235U质量的装置，其特征在于，该装置主要由闪烁体探测器和中子源组成，圆柱形的闪烁体探测器用聚乙烯块包裹成立方体形状，并以探测头端紧密接触构成正多边形结构，中子源置于正多边形结构内部。
进一步，所述闪烁体探测器外设有慢化体。
进一步，所述闪烁体探测器连接结构构成的间隙区域设有屏蔽体。
进一步，所述闪烁体探测器为液体闪烁体探测器。
进一步，所述闪烁体探测器的数量不少于6个。
进一步，所述慢化体为聚乙烯。
进一步，所述屏蔽体为聚乙烯。
进一步，所述中子源有2个，分别位于样品上方和下方。
进一步，所述多边形结构上端配有盖子。
(三)有益效果
本发明开拓了另一种测定235U质量的方式，本发明通过使用液体闪烁体探测器不仅降低了测量成本，还有效的提高了测量装置的耦合均匀性(耦合均匀性是指放置在样品空间内的样品内部不同位置受到的中子场分布的均匀性)和效率均匀性(效率均匀性是指放置在样品空间内的样品内部不同位置出射的裂变中子的总探测效率空间分布的均匀性)，从而有效地提高了测量235U质量的精度。
探测装置的正多边形结构保证了探测效率均匀性，使各个闪烁体探测器探测的数据值差异较小。探测头相互接触使得探测器尽可能多的探测样品散发出的中子。探测器外的慢化体和屏蔽体使得中子在进入探测器后如有泄出，也会因慢化体和屏蔽体而减少，从而减少探测器之间中子信号的互相干扰，保证了探测的准确率。2个中子源分别在样品上下两端可保证样品受到均匀辐射。
附图说明
图1装置俯视图
图2装置正视图
1、闪烁体探测器 2、慢化体 3、屏蔽体 4、盖子
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
一种测定235U质量的装置，主要由液体闪烁体探测器和中子源组成，闪烁体探测器的数量不少于6个，液体闪烁体探测器探测头端紧密拼接构成正多边形结构，液体闪烁体探测器外设有聚乙烯慢化体，液体闪烁体探测器连接结构构成的间隙区域设有聚乙烯慢化体和屏蔽体，2个中子源置于多边形结构内部，分别位于样品上方和下方，多边形结构上端配有盖子，所属盖子由慢化体构成。
实施例：
装置设计前，首先需要设定合适的有效样品室尺寸。“有效样品室”是指在该空间内的任意位置均满足较佳的耦合均匀性和效率均匀性。由于实际应用中待测样品尺寸通常较小，将有效样品室尺寸设定为6*6*8cm3的立方体空间。本发明由六个液体闪烁体探测器探测头端组成的正六边形结构，将有效样品室设置在六边形正中心位置。选用的液体闪烁体探测器直径12.7cm，厚7.6cm。圆柱形的液体闪烁体都用聚乙烯包裹成立方体形状，并且在探测器之间的三角形区域放置聚乙烯慢化和屏蔽体，以减少串扰现象。中子源采用两个AmLi中子源，在样品上端、下端对称放置。样品放入样品室内后，盖上盖子，开始测量。
分析数据时，需要测定样品丰度以确定235U和238U的质量比，并引入等效系数ceff以及等效质量meff：
其中m235表示235U质量，m238表示238U质量。
考虑到上式中的m238可以由m235和丰度(记作enr)确定，该式也可以写作:
对于本装置，通过模拟和实验数据分析，确定其ceff值为0.044，意即平均一个238U原子对测量的符合/多重性计数的贡献相当于一个0.044个235U原子的贡献。
所以本装置在快中子符合/多重性测量装置旁边加装了一个HPGe探测器，通过γ能谱法测定铀丰度。
以235U丰度为10％，直径8mm，高10mm的UO2芯块样品(其中含铀总质量4.78g,含235U质量0.478g)为例简述具体实施过程。
为方便测量，将芯块每8个用纸卷成长度80mm，直径约10mm(芯块直径加数层纸片厚度)的香烟状“芯块棒”。然后选取8根芯块棒进行测量。将8根芯块棒放入用铝合金制成的支撑架中，放置范围都处于有效样品空间内。
然后对样品进行多重性测量，将测得的中子多重性数据通过相应分析算法解析出对应的诱发裂变率F值，再通过已经刻度好的F值和等效235U质量之间的关系曲线(公式3)确定等效235U质量为43.7g。
上式中F为根据多重性计数率求解出的诱发裂变率，meff为等效235U质量,a和b为系统参数，其中a为10.1，b为45.0.
再通过γ能谱法测量样品的235U丰度，结果为9.9％。对应的235U和238U质量之比为0.11。根据meff＝43.7，enr＝0.099,以及ceff＝0.044,以及公式(2)，即可给出235U质量为31.4g,和标称值30.6g相比，相对偏差为2.6％。
实验结果表明，本装置对设定的6*6*8cm3样品空间，保证了好于5％的耦合均匀性(如表1所示)和好于1.5％的效率均匀性(中心位置的探测效率为6.59％，而边缘位置的探测效率为6.67％，两者相差1.2％)。
表1两种不同235U丰度样品的重复测量结果

Claims (8)

1.一种测定235U质量的装置，其特征在于，该装置主要由闪烁体探测器和中子源组成，闪烁体探测器探测头端相互接触构成正多边形结构，中子源置于正多边形结构内部。
2.根据权利要求1所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述闪烁体探测器外设有慢化体。
3.根据权利要求1所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述闪烁体探测器连接结构构成的间隙区域设有屏蔽体。
4.根据权利要求1所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述闪烁体探测器为液体闪烁体探测器。
5.根据权利要求2所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述慢化体为聚乙烯。
6.根据权利要求3所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述屏蔽体为聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述中子源有2个，分别位于样品上方和下方。
8.根据权利要求1所述的一种测定235U质量的装置，其特征在于，所述多边形结构上端配有盖子。
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