SU1291033A3 - Устройство дл измерени концентрации элементов в материалах - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к  дерно- физическим методам анализа материалов . Целью его  вл етс  повьшение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучени . Устройство содержит источник 4 быстрых нейтронов с рассеивающим экраном 2, вокруг которого находитс  замедлитель - по крайней мере частично т жела  вода 3, количество которой оптимизировано. Источник нейтронов и полупроводниковый детектор располагают с одной стороны от облучаемого материала. Оптимизировано рассто ние между источником и детектором излучени , а также между рассеивающим экраном и детектором . 2 з.п.ф-лы, 11 ил, 4 табл. (У) СО CN

Description

112

Изобретение относитс  к нейтрон- но-активационному анализу материалов методом захватного гамма-излучени .

Цель изобретени  - повышение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучени .

На фиг.1 показаны кривые, по сн ющие теоретические положени , лежащие в основе изобретени ; на фиг.2-5 - различные варианты выполнени  рассеивающего экрана из вис- мута| на фиг.6 - предпочтительный вариант выполнени  устройства; на фиг.7 - вариант выполнени  устройства; на фиг.8-9 - полученные с помощью устройства спектры; на фиг. 10- модифицированный вариант устройства; на фиг.11 - применение устройства дл  анализа пульпы.

В основе изобретени  лежат следующие теоретические положени .

Замедление и г спространение нейтронов представл ют собой математически сложную задачу, точное решение которой может быть найдено только в случае простейшей геометрии, например при сферической симметрии. Однак реальное измерительное оборудование содержит много различных материалов с поверхност ми раздела, наход щимис  на различных направлени х. Простейшее решение в этих услови х - использование дл  расчета метода Монте Карло, основанного на знани х веро т ностных законов, управл ющих доведением отдельного нейтрона в каждой среде. Прослежива  различные случаи проведени  нейтрона (прохождение нейрона с замедлением и изменением направлени  при столкновении с атомами и поглощение), можно .получить представление о количественном и знерге- тическом распределени х нейтронов в различных местах.

Показанные на фиг.1 результаты были получены путем расчета потока тепловых и быстрых нейтронов на основе сферической модели дл  сферы радиусом 100 см из и . Из фиг.1 видно, что в HjO поток тепловых нейтронов уменьшаетс  с той же скоростью, что и поток быстрых нейтронов , тогда как в DjO поток тепловых нейтронов распростран етс  по большему объему без поглощени , и только утечка вне сферы приводит к уменьшению потока.

Рассто ние замедлени  дл  графита больше, а диффузионна  длина меньше.

O

чем у , но из-за его низкой стоимости целесообразно окружать D, графитом и окружать графит . Дл  рассе ни  быстрых нейтронов, идущих к детектору, и поглощени  гамма-излучени  источника целесообразно использовать конусообразный рассеивающий экран из т желого металла, например висмута, который не дает захватного гамма-излучени . Поскольку висмут  вл етс  очень плохим замедлителем, экран должен быть расположен на некотором рассто нии от детектора, иначе быстрые нейтроны по нему пройдут 5 к детектору. ,

В табл.1 показано количество нейтронов (п°), попадающих на детектор за заданный период времени дл  вариантов выполнени  экрана, показанных 0 на фиг.2-5. Толщина сло  П„0 не играет значительной роли, но большие толщины несколько лучше. Более широкий у основани  конус также улучшает результаты за счет увеличени  телесного угла рассе ни  нейтронов.

На фиг.2-5 обозначены детектор 1 гамма-излучени , например, полупроводниковый , рассеивающий экран 2, например, из висмута, вокруг которо- 30 го находГитс  т жела  вода 3, и источник 4 быстрых нейтронов.

Т жела  вода  вл етс  довольно ; дорогой и, поэтому, ее количество оптимизировано с точки зрени  сто- 35ИМОСТИ. Приведенна  на фиг.6 геометри  получена в результате указанной оптимизации. В этой геометрии вместо т желой воды большую часть замедлител  образует графит. Однако со сто- 40 РОНЫ, наход щейс  напротив детектора , целесообразно использовать т желую воду, поскольку важно терма- лизовать попадающие на детектор нейтроны. Дл  этого быпа рассчитана необходима  толщина сло  т желой воды, причем наблюдади, что увеличение количества т желой воды выше 12 л не вли ет на ситуацию,

50 В показанном на фиг.6 варианте устройства источник 4 быстрых нейтронов расположен в вершине рассеивающего экрана 2. Позицией 5 обозначен графитовый замедлитель, а пози

55 цией 6 - исследуемый материал, расположенный , например, на конвейере

Источником быстрых нейтронов, использованным в экспериментах и вычислени х, бьш изотоп Cf, даю312

щий наилучший выход нейтронов на единицу активности, имеющий достаточно низкую стоимость и м гкий спектр нейтронов.

Как известно, допустимые величины флюенса нейтронов дл  детекторов различаютс  в есьма сильно, В качестве исходного значени , опасного дл  детектора флюенса, была вз та величина 10 нейтрон/см , На основе моделировани  определено, что увеличение на 15 см рассто ние в т желой воде между источником и детектором уменьшает флюенс на пор док.

В табл.2 приведены данные о сроке службы детектора в устройстве с оптимизированной геометрией в зависимости от указанного рассто ни  при использовании источника 20 мг cf.

Экспериментальна  геометри  устройства , в которой было выбрано рассто ние источник - детектор 55 см и котора  получена на основе оптимизации , показана на фиг.7, где обозначены держатель 7 рассеивающего экрана 2 и сосуд 8 с жидким азотом дл  поддержани  детектора 1 при низкой температуре. В баллоне с исследуемым материалом 6 была выполнена полость дл  размещени  предусилител  детектора 1. Использованное в экспериментальном устройстве оборудование включало Ge(Li) детектор и св занное с ним вычислительное устройство. .Полученные результаты выводили на цифропечатающее устройство и графо- построитель. В качестве источника

2S2

использовали 1 мг Cf. Врем  измерений составл ло 100 мин. В качестве проб брали концентраты никел  и меди Полученные результаты приведены в табл.3.

Кроме того, были проведены измерени  фона путем замены пробы раствором борной кислоты, обладающим примерно такой же, как и у пробы, отражающей способностью дл  тепловых нейтронов. Геометрию измерений модифицировали таким образом, что пустое пространство, окружающее детектор между пробой и замедлителем, было в одних случа х заполнено материалом пробы, а в других - с;тужащими в качестве отражателей кусками графита, Также проводили эксперименты по изучению вли ни  на спектр тонкой кадмиевой пластинки, устанавливаемой дл  защиты детектора.

3

Программа обработки спектров включала обнаружение пиков, калибровку по энерги м, определение фона, расчет площади под пиками и оценку ошибки . Дл  оценки ошибки, вызываемой статистикой счета, использовали главные , пики различных веществ:

Fe 7,646 МэВ и 7,632 МэВ с со- путствующими пиками;

S 5,420 МэВ с сопутствующими

пиками; 3,221 МэВ, 2,931 МэВ . и 2,380 МэВ;

Си 7,915 МэВ и 7,306 МэВ с со- - путствующими пиками;

Ni 8,999 МэВ и 8,535 МэВ с

сопутствующими пиками; Si 4,934 МэВ и 3,539 МэВ.

Полученные на концентрате никел  результаты .приведены в табл.4

Соответствующие результаты можно получить при использовании источников 10 мг и 20 мг за врем  10 мин и 5 мин. Увеличив в четыре раза врем  измере- ни , можно уменьшить ошибку вдвое.

Части спектров концентрата никел , полученные на описанном устройстве, показаны на фиг.8 и 9.

Захватные и активационные пики от материала детектора могут быть устранены посредством кадмиевого экрана . Какой-либо другой поглотитель нейтронов мог бы ухудшить отношение пик/фон в меньшей степени. При ис- пользовании кадмиевого экрана количество захватного гамма-излучени  от пробы уменьшилось в 1,7 раза.

На фиг.10 приведена обратна  по отношению к фиг.6 и 7 геометри  уст- ройства, предназначенна  дл  измерени  материала 6 на конвейере.

Очевидно, что геометри  устройства может измен тьс  различным образом . Если, например, исследуемый материал представл ет собой текучую среду, например пульпу, то этот материал сам может использоватьс  как замедлитель. В этом случае детектор

может быть помещен непосредственно в исследуемый материал, как это показано на фиг.11.

55

Claims (3)

1. Устройство дл  измерени  концентрации элементов в материалах методом захватного гамма-излучени , содержащее источник быстрых нейтронов , замедлитель, детектор гамма- излучени , рассеивающий экран дл  быстрых нейтронов из т желого материала , предпочтительно висмута, выполненный в виде усеченного конуса или последовательности усеченных конусов , расположенный между источником быстрых нейтронов и детектором гамма- излучени  и служащий дл  одновременног поглощени  гамма-излучени  источника быстрых нейтронов, и средство удержани  исследуемого материала, отличающеес  тем, что, с целью повьппени  точности измерений и увеличени  срока службы детектора гамма-излучени , источник быстрых нейтронов и детектор гамма-излучени , выполненный полупроводниковым, расположены с одной стороны от средства удержани  исследуемого материала или детектор гамма-излучени  расположен внутри указанного средства , причем детектор гамма-излучени  находитс  в потоке тепловых нейтронов , а количество замедлител , по меньшей мере частично представл ющего собой т желую воду, между ис45 55 60 65

точником бйстрых нейтройов и детектором гамма-излучени  выбрано из услови  попадани  на детектор за заданный период времени не более чем заданного количества быстрых нейтронов.

2.Устройство по П.1, отличающеес  тем, что замедлитель выполнен в виде графитового тела с конической полостью, заполненной т желой водой и большим основанием обращенной к средству удержани  исследуемого материала, источник быст5 рых нейтронов расположен со стороны меньшего, а детектор гамма-излучени  - со стороны большего основани  указанной полости.

3.Устройство ПОП.2, отли- 0 чающеес  тем, что при флюенсе

источника быстрых нейтронов 10 нейтрон/см рассто ние в т желой воде между рассеивающим экраном и детектором гамма-излучени  составл ет не менее 10 см, а рассто ние между источником быстрых нейтронов и детектором гамма-излучени  - не менее 45 см. Таблица1

5

Таблица2

2,2 1,2 0,8 0,5

Ni Си

5,52 3,40 23,3 29,8 24,9 0,21 24,8 29,6 29,8 8,3

Компонент

Fe Си Ni

Sic,

IТ a б л н ц a 3

Т а б л н ц а 4

Относительна  ошибка, %

Абсолютна  ошибка, %

0,96 0,54 0,31 0,25

2.9

CM

;;;л- Йi.v;;;лr. У у-У У- - -- C i S- .б

f M

7,

ifffOffO

uffOPOL

200004

3000

згоо

, mfs)

S-33MeV

7-; v,i. . -г. .r .. .. . .

Ж: ;: /:-:-; ;-Л А :. : ; fej

i/ /O

Редактор А.Лежнина

faa. //

Составитель К.Кононов

Техред М.Ходанич Корректор А.Обручар

Заказ 7920/60 Тираж 777Подписное

ВНИШШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

Производствеино-полиграфическое предпри тие, г.Ужгород, ул.Проектна , 4