计数速率测量方法和装置的制作方法

专利名称：计数速率测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及裂变室计数速率测量装置以及包括本发明所述的计数速率装置的裂 变室校准装置。本发明还涉及裂变室计数速率测量方法。
背景技术：
裂变室用来探测中子。裂变室包含裂变物质以及能够电离的气体。在中子的作用 下，裂变物质发射粒子，所述粒子电离所述气体。电离气体量反映了裂变室中容纳的中子的 数量。仅有一部分被称为有效质量的裂变物质参与了电离所述气体的粒子的发射。实际上， 需要精确知道有关所述有效质量来确定绝对物理量，即，中子通量或光谱指数。本发明的校 准装置使得可以测量裂变同位素的有效质量。截至目前，在核反应堆中以热谱(或热柱)或者裂变谱的方式对裂变室进行校准。 在这方面已经开发了多种校准方法。所述方法都需要能够使用并获得研究用反应堆。出于 安全原因，所述方法需要实现实施起来很繁琐的实验程序，因此非常昂贵。此外，全世界配 备了校准装置的研究用反应堆少而又少，因此，如果希望校准裂变室，可能需要旅行。现有技术的校准装置存在很多缺点。本发明的校准装置不存在这些缺点。

发明内容
实际上，本发明涉及一种容纳裂变物质的至少一种裂变室的计数速率测量装置， 其特征在于，该计数速率测量装置包括测量室，其容纳所述裂变室，中子产生器，其以周期性脉冲的形式朝所述裂变室发射中子，测量缆线，其经由连接器收集所述裂变室在所述中子与所述裂变物质交互作用下 而馈送的信号，中子计数器，其馈送由所述中子产生器发射的中子计数信号，处理系统，其在所述中子产生器发射的中子的发射时段内包含的预定时间间隔上 馈送表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述中子计数信号的信号，以及电路，其根据表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述中子计数信号的信 号，计算参照所述中子计数信号进行了归一化的所述裂变室的计数速率。根据本发明的附加特征所述测量室包括结构，在该结构中形成有圆筒形腔，该圆筒形腔经由开口而连通 到所述结构的壁中，第一圆筒形套，其置于所述圆筒形腔的壁上，所述第一圆筒形套容纳所述测量缆 线的第一部分、所述裂变室以及所述连接器，第二圆筒形套，其与所述第一圆筒形套相隔一定距离且包围所述第一圆筒形套， 所述第一圆筒形套和所述第二圆筒形套各具有通过第一环固定在所述结构中的第一端，和 通过第二环固定在所述结构中的第二端，其中所述第一环位于所述空腔连通到所述结构的壁中的一侧，第三圆筒形套，其位于所述结构的外部，大致与所述第一圆筒形套对齐，所述第三 圆筒形套容纳所述测量缆线的从所述第一部分延伸的第二部分，和将所述缆线保持在所述 第二套中的定心环。根据本发明的另一附加特征，所述装置包括片材，其覆盖所述第一圆筒形套，和中空圆筒形结构，其位于所述片材与所述第二圆筒形套之间。根据本发明的另一附加特征，所述片材是镉片。根据本发明的另一附加特征，构成位于所述片材上的中空圆筒形结构(10)的材 料是含硼聚乙烯(borolene)。根据本发明的另一附加特征，所述第一圆筒形套和所述第二圆筒形套由填充空气 的间隙分隔。根据本发明的另一附加特征，形成有所述腔的所述结构由石墨制成。根据本发明的另一附加特征，所述中子产生器集成在所述测量室的所述结构中。本发明还涉及一种校准装置，该校准装置用于测量至少一个裂变室中容纳的裂变 物质的有效质量，其特征在于，该校准装置包括根据本发明的计数速率测量装置，还包括电 路，该电路根据由所述计数速率计算电路馈送的计数速率来计算所述裂变物质的有效质 量。本发明还涉及一种测量至少一个容纳裂变物质的裂变室的计数速率的方法，其特 征在于，该方法包括以下步骤以周期性脉冲的形式朝所述裂变室发射中子，以使所述裂变室馈送因所述中子与 所述裂变物质交互作用而产生的信号，对所发射的中子计数，以形成计数信号，在所发射的中子的发射时段内包含的预定时间间隔上，对由所述裂变室馈送的所 述信号和所述计数信号进行处理，以便馈送表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述 计数信号的信号，以及根据表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述计数信号的信号，计算参照所 述计数信号进行了归一化的所述裂变室的计数速率。 本发明的计数速率测量装置包括以脉冲模式工作的中子产生器。本发明所述的装置有利地使得可以以和在反应堆中所能得到的精度相同的精度得到校准值，和以各种中子谱得到校准。有利的是，根据设计人员的选择，可以利用与快谱或与裂变室的探询中子的热谱 相适应的设计方法，来确定组成测量室的不同组件的材料和尺寸，其中，测量室中放置了所 述裂变室。快中子谱被定义为，其中99. 9%的中子的能量大于lMeV。热中子谱被定义为，其 中99. 9%的中子的能量小于0. 625MeV。对于各类型的中子谱，所述装置被调整为适合于例如1. 5mm,4mm或者8mm直径的
裂变室。


参考附图阅读对优选实施方式的描述之后，本发明的其它特征和优点将变得清 楚，在附图中图1表示用于本发明的计数速率测量装置的测量室的示意图；图2表示用于本发明的计数速率测量装置的第一示例结构的局部剖面图；图3表示用于本发明的计数速率测量装置的第二示例结构的局部剖面图；图4表示本发明的裂变室计数速率装置的示意图；图5表示本发明的校准装置的示意图；图6表示在快中子谱的情况下利用本发明的计数速率测量装置得到的计数速率 曲线的示例，其是裂变室在测量装置中所占据的位置的函数；图7表示在热中子谱的情况下利用本发明的计数速率测量装置得到的计数速率 曲线的示例，其是裂变室在采集系统中所占据的位置的函数；图8表示利用本发明的计数速率测量装置无噪声校正地得到的频谱的示例；图9表示在快中子配置中通过本发明的计数速率测量装置所得到的计数速率曲 线的示例，其是时间的函数；图10表示在热中子配置中通过本发明的计数速率装置所得到的计数速率曲线的 第一示例，其是时间的函数；图11表示在热中子配置中通过本发明的计数速率测量装置所得到的计数速率曲 线的第二示例，其是时间的函数；图12表示在热中子配置或快中子配置中，在用于本发明的计数速率测量装置的 中子计数器级上所得到的计数速率的示例。
具体实施例方式图1示出了用于本发明的计数速率测量装置的测量室。测量室1包括包围部2和 中子计数器K，包围部2容纳材料3，材料3中形成有腔4。制成包围部2的材料例如是聚乙 烯，材料3例如是由石墨制成的。在材料3内形成有能够容纳裂变室的纵向腔5。在材料3 内靠近腔5设置有中子产生器6。圆筒形腔5经由开口 0而连通到腔4。在图1所示的实 施方式中，邻近包围部2设置中子计数器K。本发明还涉及所述中子计数器位于包围部2中 的情况。图2示出用于本发明的计数速率测量装置的第一示例结构的局部剖视图。图2所示的结构用于获得快中子谱。腔5包含两个同轴圆筒形套8、9，套8包围套 9。套8和9例如是由不锈钢制成的，其厚度为1mm。片材13，例如，Imm厚的镉片，覆盖圆筒 体9的外表面。该片材13的用途是捕获热中子，即能量低于0.625eV的中子。块材10置于 将片材13与套8隔开的空间中。例如由含硼聚乙烯(即，硼和聚乙烯)制成的材料10的 厚度例如为16mm。两个定心环15和16将圆筒形套8和9保持且对准在腔5中。止动部B 在定心环16侧封闭腔。裂变室CH位于圆筒形套9内。该裂变室的第一端连接到连接部件 12，该连接部件12收集因裂变室中容纳的气体电离而生成的电子。裂变室的该第一端位于 距开口 0的距离为D的位置处，裂变室的另一端位于距止动部B的距离为d的位置处。连
6接部件12连接到刚性同轴缆线11。在腔4中设有圆筒形套17，圆筒形套17例如为与圆筒 形套9对齐的厚度为Imm的不锈钢套。定心环14将刚性同轴缆线11保持在圆筒形套17 中。连接器将刚性同轴缆线11连接到柔性测量缆线7，柔性测量缆线7向处理电路(图2 中未示出；参见图3)发送信号。由组件14、15和16构成的引导和定位系统有利地确保裂变室CH的轴向位置具有 良好的再现性。针对该位置得到的精度例如可以具有Imm或者甚至更小的量级。优选地，利用蒙特卡洛MCNP (MCNP表示“蒙特卡洛N粒子”)中子计算代码得到图 2所示的本发明的结构的材料和尺寸。正是利用该计算代码，得到了上述材料和尺寸。然 而，也可以选择具有相同特征的其它材料来构成该结构。选择其它材料意味着，可以用不同 的尺寸获得基本相同的性能。然而，上述材料使得可以形成具有“可接受的”尺寸的校准装 置，换言之，既不太大也不太重的装置。为圆筒形套8、9和17选择不锈钢使得可以确保给 整个装置带来优异的刚度，从而保证了其耐磨性。选择含硼聚乙烯则是因为该材料优良的 耐老化性能，以及其在热中子捕获方面的功效和它的低成本。裂变室的定心装置14、15、16与所研究的裂变室的各直径相关。定心环14、15、16 以及止动部B例如由不锈钢制成。定心环的直径和止动部B的加工与刚性同轴缆线11的 直径相适应。定心装置不仅使得可以控制裂变室在装置中的轴向位置和径向居中，而且使 得裂变室可以纵向滑动，以便优化测量位置(并且搜索对应于最大计数速率的位置)。实际 上，是由裂变室CH、连接器12以及同轴缆线11构成的套件在套9中滑动。由环14确保该 套件的居中。在上述结构中，仅那些在测量室石墨和含硼聚乙烯中没有被减速/热化的中子渗 透进入裂变室。因此，裂变室仅看到产生器6发射的快中子，即没有受到交互作用的中子。图3示出用于本发明的计数速率测量装置的第二示例结构的局部剖视图。图3中 的结构适于获得热中子谱。除块材10和镉片13外，空腔5包括已参考图2进行了描述的 其它所有构成单元。此处，套8和9之间的空间填充了空气。和之前一样，例如，可以利用 如前所述的滑动装置纵向调整裂变室的位置。此处，来自产生器6的中子不管它们的能量多大，都能够渗透进入裂变室。然而， 取决于裂变室在套9中所占据的位置，这些中子预先通过厚度为例如Ocm至40cm之间的石 墨，从而使得可以根据它们到达裂变室级的时间，即，根据它们所通过的石墨厚度，来区分 它们的能量。作为非限制性示例，利用蒙特卡洛MCNP4C2代码所进行的计算已经表明，由发 射频率为125Hz的中子产生器所发射的中子在各自发射之后，不管裂变室在校准装置中的 轴向位置如何，都有超过99. 9%的中子在700 μ s至3500 Ps的时间范围内成为热中子。图4示出本发明的裂变室计数速率测量装置的示意图。该测量装置包括上述的测量室1，其中，集成有裂变室CH、中子产生器6以及中子计数器K，处理系统ST，其处理由裂变室CH和计数器K馈送的信号，并且，一方面馈送表示由 裂变室馈送的信号的信号，另一方面馈送表示由计数器K馈送的信号的信号，以及计算电路34，其利用由处理系统ST馈送的信号，计算参照由计数器K馈送的信号 进行了归一化的裂变室的计数速率C。所述处理系统ST包括前置放大器18，其对由裂变室CH经由测量缆线7馈送的信号进行放大，
放大器20，其通过多导体缆线19连接到前置放大器18，其中，所述多导体缆线19 向裂变室发送高电压HT和低电压BT，电子电路21，其经由缆线27连接到中子产生器6，采集电路32，其包括放大器22、采集卡23以及高电压电路24，放大器22经由缆线 26接收由计数器K馈送的信号，并经由电连接部33接收由电路24馈送的高电压，缆线26 向计数器K提供高电压HT。，采集卡23经由电连接部29接收由放大器20馈送的信号，并经 由电连接部28接收由电子电路21馈送的信号，放大器22馈送表示由计数器K馈送的信号 的信号，并且采集板23馈送表示由裂变室馈送的信号的信号。作为非限制性示例，图4所示的装置容纳单个裂变室。然而，本发明更普遍地涉及 所述装置容纳N个裂变室的情况，其中，N是大于或等于1的整数。图5示出本发明的裂变室校准装置的示意图。除了参考图4所提到的组件之外， 图5所示的校准装置还包括计算电路35，该计算电路35根据计算电路34馈送的归一化的 计数速率C来计算裂变室中容纳的裂变物质的有效质量。在剩下的描述中给出了利用电路 34实现的计算方法的示例。然而，也可以构想其它计算方法。将在一般情况下描述该计算 方法，其中，同时计算N个不同裂变室中容纳的N个裂变质量。各个裂变室容纳主同位素和 杂质。由N个裂变室中容纳的裂变物质的有效质量所形成的矩阵列[m]可写为[m] = [C] .1 ([a] χ [σ^]) (1),其中[C]是N个裂变室的归一化计数速率(或者每秒命中次数)的矩阵，[a]是根据主同位素归一化的N个裂变物质淀积的同位素分析的矩阵，[OmCp]是根据计数器K归一化的宏观裂变的积分质量截面的矩阵列(“质量截面” 在本文中是指关于质量单元而不是原子核的截面)，并且，其中，符号“.I”表示矩阵除法算子，符号“X”表示矩阵乘法算子。根据电路34馈送的测量值构造矩阵[C]。利用同位素分析，以一种已知的方式对 于各裂变室的各裂变物质确定矩阵[a]的系数。对于给定外部尺寸(直径、长度)的裂变 室，矩阵[omq>]对于测量室中的裂变室的给定位置以及对于校准装置的给定校准配置(快 或热中子以及与频谱性质相关联的时间范围)是不变的。因此，可以利用对于上述不变条
件与已知有效质量的裂变物质淀积对应的特定矩阵bm(p]o来确定矩阵[σιηφ]。因此有 其中，矩阵[a]^和[m]^的系数是已知的，而矩阵[Qtl的系数是针对已知有效质 量的裂变物质淀积所测量的计数速率。因此，如下写出矩阵[m]
(3)除了矩阵[m]，计算电路35还计算方差vaHm)的矩阵，其中，var(m)表示有效质 量m的方差。以下解释方差矩阵的公式。可以将上述公式(2)以更一般的方式如下写为[XiJ] = [Aij] χ [Bij] χ [Cij]，
其中，i是关于矩阵的行序的索引，而j是关于矩阵的列序的索引。假定项Ai^Bij和Cij的独立性，换言之，假定[C]、bmtp]和[a]的不确定度独立，通 过对不确定度的推导得到[var (Xij) ] = [var (Aij) ] X [ (Bij)2] X [ (Cij)2] + [ (Aij)2] X [var (Bij) ] X [ (Cij) 2] + [( Aij) 2]X [(Bij) 2]X [Var(Cij)]随后，矩阵[Omq>]0和[m]的方差分别写为如下var^^l = ^ml χ [aL^f x {var[4 + JmjjJi χ var[al + vartmi χ [a^J,) χ [σ φ“}，
以及
var[m] = {var[c] + [mJ χ (var[a] χ [σ,,,φ^ + ^J x var[om<p]J .1 f([a] χ [σ φ]^{在以上公式中，标记示由项Zij的平方组成的矩阵，Zij表示矩阵[Ζ]的第i 行、第j列的系数。一般而言，主同位素i的裂变室包含有杂质。实际上，在铀U-233、U_235或U-238 室中常常存在含量可忽略的U-234和U-236杂质，因此，这些杂志不会造成任何问题。例如， 在Pu-238室的情况下，杂质U-234是Pu_238以87. 7年为周期放射性衰变的产物。如果使 用足够近期的Pu-238室，则可以忽略U-234的数量。在不能忽略所述杂质的情况下，有利的是该计算方法考虑了它们的影响。那么，矩 阵[m]的计算所得的系数则是有效等效质量，除了主同位素的有效质量之外，该有效等效 质量还考虑了裂变室中存在的杂质的有效质量。作为非限制性示例，现在将给出包含U-234 杂质的主同位素Pu-238的等效有效质量的表达式。利用如下公式计算裂变室中容纳的Pu-238同位素的等效原子核数Neq 其中N4是容纳在室中的U-234的原子核数，其可由分析得知，N8是容纳在室中的Pu-238的原子核数，其可由分析得知，σ 4,。是在所述测量条件(对时间间隔计数并考虑快或热中子谱)下，例如，利用MCNP4C2代码计算的杂质U-234的微观裂变截面，σ 8,。是在所述测量条件(对时间间隔计数并考虑中子谱的快或热性质)下，例如，利用MCNP4C2代码计算的Pu_238的微观裂变截面。随后，利用如下公式给出被考虑为矩阵[m]的系数的Pu-238的等效有效质量me(1
238 am4c 其中m4是室中的U-234的有效质量，238 是 Pu-238 的质量数，234是U-234的质量数，σ m4。是在所述测量条件(对时间间隔计数并考虑中子谱的快或热性质)下，例如，利用MCNP4C2代码计算的U-234的微观质量裂变截面，σ m8。是在所述测量条件(对时间间隔计数并考虑中子谱的快或热性质)下，例如， 利用MCNP4C2代码计算的Pu-238的微观质量裂变截面，m8是室中的Pu-238的有效质量。现在将描述利用诸如图4所示装置进行的裂变室计数速率的测量。确定计数速率包括以下主要步骤建立专用于中子谱的快或热性质的测量条件；实现测量方法。建立测量条件包括针对裂变室的计数速率确定裂变室的最优纵向位置，该最优位置对应于最大计数 速率，因而对应于给定统计计数不确定度下的最小计数时间，调整适应于中子产生器的性能和具体情况的采集时间范围和采集轮次，调整关于计数速率的统计不确定度目标为的采集时间。所实施的测量方法包括以下步骤在PHA模式(PHA表示“脉冲高度分析”)中调整裂变室的采集信号中包含的背景 噪声的鉴别阈值，将鉴别阈值与所寻求的校准量(有效质量)相关联，将PHA模式中的调整转变为在MCS模式(MCS表示“多通道定标器”)中采集在中 子产生器工作期间的裂变室的动态信号，以及监控所得到的测量值，以消除中子产生器从一个测量值到下一个测量值的操作波动。现在，上述的不同点将变得更清楚。确定裂变室的最佳位置优选地，首先可以选择确定裂变室在测量室中的最优位置，从而尽可能地减少针 对所得到的计数速率实现的统计不确定度所需要的采集时间。此步骤不是必须的，但 是，为了节省时间并尽可能减少中子产生器的磨损，建议采取此步骤。图6表示在快中子谱的情况下测量的归一化裂变速率C的曲线示例，其是裂变室 在测量室中所占据的位置(裂变室相对于开口 0的距离D)的函数。在所选的示例中，裂 变室容纳约100 μ g的铀-235，并且裂变室相距开口 0的距离D在5cm至40cm之间。根据 指示，各次测量的采集时间是800s，这使得可以在30 μ s到230 μ s之间的关注范围上得到 2000次命中到3500次命中之间的计数。实际上，由于热中子在含硼聚乙烯中被隔绝，在该 时间范围之外没有中子到达裂变室。所保持的位置对应于最大计数速率。在图6的示例 中，所得到的最佳位置距离空腔5的开口 0为23cm。在快中子配置中对于所有校准测量都 保持该位置。图7表示在热中子谱的情况下测量的归一化裂变速率C的曲线示例，其是裂变室 在测量室中所占据的位置的函数。在所选的示例中，裂变室容纳约IOOyg的铀-235，并且 关于所述位置的距离D在0至40cm之间。根据指示，各次测量的采集时间是560s。该时间 使得可以在700 μ s到3500 μ s之间的关注范围上得到10000次命中到30000次命中之间 的计数。该时间范围对应于能量低于0.625eV的热中子数量大于99. 9%的时间段。在此，在5cm位置处观察到最大计数速率。因此，在热中子配置中对于所有校准测量都保持该位置。在所有装置中，与裂变室的裂变淀积的定位相关的精度级别是3mm，这包括裂变室 在装置中的定位不确定度以及淀积物在裂变室中的定位不确定度。这些不精确度给裂变室 的计数速率带来0. 1 %的不确定度级别，这实质上可以忽略。采集范围-轮次-采集时间测量的操作和采集参数如下中子产生器的发射频率例如是125Hz的频率，这对应于中子产生器的两个脉冲之 间的等于8000 μ S的时间；轮次，换言之，在给定时间范围(即，对于上述125Hz的频率，在快中子装置中，范 围为30 μ s到230 μ S，而在热中子装置中，范围为700 μ S到3500 μ S)内，为适应最小计数 累积数要求(例如，1000次命中)所需要的中子产生器的发射次数。采集时间，其等于轮次乘以中子产生器的两次脉冲之间的时间(采集时间作为所 述性质和裂变室中容纳的淀积物的函数而发生变化，典型地，当裂变室容纳有100 μ g量级 的锕类物时，对于热中子装置该采集时间等于十分钟，而对于快中子装置，该采集时间为一 小时)。现在将描述测量方法。在？!1/^草式中11_背景卩耍声的鉴勘丨_倌-将该鉴勘丨_倌与所寻求的校准量相关联根据本发明的改进，在裂变室馈送的信号中不考虑电子背景噪声或由中子以外的 粒子或放射导致的噪声。如图所示，图8示出了裂变室的频谱S的示例，其中，出现了噪声 线。所述噪声线出现在信号的第一通道中。为消除这些噪声而采用的策略是设置鉴别阈值，该鉴别阈值使得可以排除信号的 第一通道中包含的背景噪声，于是，仅集成了信号中对应于中子反应的有用部分。所采用的方法包括以PHA模式(将命中次数与信号的幅度相联系)执行对裂变室 信号的采集，然后将鉴别阈值与裂变室特有的信号形状相联系，之所以信号形状是裂变室 特有的，是因为该形状和裂变室中的裂变产物所淀积的能量有关。计数累积数与该鉴别阈 值相关联。而校准量的值(即，裂变室中的裂变淀积物的有效质量的值)与该计数累积数 相关联。根据指示，所述方法包括如下步骤查找与频谱的最大计数对应的通道Cmax，计算例如位于通道Cmax任何一侧的十个通道上的计数的平均值，即，平均值Vav，在频谱上查找对应于值Vav/2的通道；在位于Vav/2之前的五个点和位于Vav//2之后的五个点之间的区域附近进行线性回 归，确定由于所述线性回归而得到的直线方程，利用由此得到的直线方程，确定对应于IJ2的通道，并且采用例如两个小数位的 精度(通道R独特地是所馈送的频谱的函数，其不随中子频谱的性质而变化)，计算与通道R的一部分(例如，0.4R、0.5R和0.6R)对应的通道值，同时始终保持 相同小数位的精度，将鉴别阈值识别为通道R的尽可能对应于“谷”通道Cv(例如，0. 5R(参见图8))
11的部分，计算鉴别阈值和计数通道Cf的末端之间的计数累积数(参见图8)。通道Cf的特 征是所有大于Cf的通道都对应于零计数速率。偏向于有用信号的最大值，换言之，将积分阈值尽可能地保持在“谷”通道Cv附近 (参见图8)，是显著有益的。确定鉴别阈值的方法并不唯一，因为，也可以使用其它方法。然而，该方法是默认 的方法，其使得可以避免对于测量条件(放大器增益、信号的整形常数、入射中子的能量 等)的任何改变。通过实验，它平均给所测量的计数速率带来了 0.5%的不确定度。将在PHAI草式中转夺为在MCS I草式中采集动杰信号由上可见，获取校准量仅需要考虑在中子产生器的两次发射之间的特定时间范围 内来自裂变室的信号，以满足中子谱纯度方面的目标。因此，需要在MCS模式(计数标度将事件次数作为时间的函数进行排序)中采集 来自裂变室的信号，以能够在时间上跟随信号。因此，可以调整鉴别器的下限阈值，使其准确对应于所选的积分阈值(参见上一 段)。为此，将针对各裂变室在PHA模式中预先定义的积分阈值乘以量值G就足以得到 以伏特为单位的鉴别器的下限阈值的调整值，所述量值G如下
G mm^mmmmmm
采集通道的数量作为非限制性示例，并且以本身已知的方式，用于进行测量分析的通道数等于 1024，而以伏特为单位的鉴别器范围等于10。由于对于下限鉴别阈值的确定是准确的，因此，可以认为相关的不确定度为零。测量监控为了避免中子产生器从一个测量到另一个测量的操作波动(所发出的中子的通 量或者产生器的磨损)，需要监控中子产生器的中子发射，以便针对中子产生器的相同操作 对所有测量进行归一化。为此，校准装置包括中子计数器K。计数器K可以位于测量室的内 部或外部。作为非限制性示例，在图1中，在测量室的外部示出计数器K。可以通过任何类 型的中子探测器执行该监控。作为非限制性示例，例如，计数器K是在测量室几十cm近距 离处的氦计数器3。在整个计数速率测量过程以及随后的校准过程中，优选的是，不需要相对于裂变 室和中子产生器移动计数器K。监控的原理是以同步方式系统地记录计数器K的计数以及裂变室的计数。然后， 参照计数器K的平均计数对裂变室馈送的所有测量值进行归一化(电路34)。这样，可以认为，通过假设计数器K馈送的信号在时间上是稳定的，仅需要考虑的 不确定度是裂变室计数的统计不确定度。对本发明的校准装置的检骑现在将基于图9-12所示的测量结果描述对本发明的计数速率测量装置的检验。 图9中给出了由快中子装置铀-235裂变室馈送的、作为时间的函数的计数速率Cai的示例。可以注意到，信号在30 μ S到230 μ s的时间间隔内总体上跟随中子产生器的发射脉冲。超 过230μ S，信号确实被取消，这验证了该快装置在使在周围的石墨中热化的中子停止方面 的质量。对于热中子装置，在图10和11中分别给出了利用镎-237和铀-235裂变室得到 的计数速率Cai测量值的两个示例。可以注意到，对于镎-237裂变室，由于镎-237在热领域中具有零裂变截面的事 实，信号初始在30 μ S到230 μ S的时间间隔内跟随中子产生器的发射脉冲，随后消去，这表 示，超过中子产生器的脉冲发射后，在热装置中就不再能观察到任何快中子(具体地，在本 研究中是700 μ s到3500 μ s时间范围)。还可以注意到，来自铀-235裂变室(热中子的裂 变同位素)的信号初始时在30 μ S到230 μ S的时间间隔内跟随中子产生器的发射脉冲，随 后，随着热中子穿过测量室的石墨之后到达探测器级处，其继续演变，而没有自身消去。以上单元通过上述的蒙特卡洛MCNP4C2代码计算验证了校准室的概念，并且，关 于对700μ 8到350(^ S的时间间隔(对应于在超过99. 9%的情况中利用能量低于0. 625eV 的热中子探询裂变室)上的所有测量进行分析，已经达成了一致。作为例示，图12示出了由作为用于所有测量的监控器而使用的氦3计数器探测的 计数速率CK。位于室后面的计数器首先观测到在产生器的脉冲期间发射的快中子的到达， 随后，延时观测到在测量室的石墨和聚乙烯中或多或少被热化的中子。根据指示，针对容纳有100μ g量级的裂变物质的裂变室以及在频率为125Hz的脉 冲模式下工作且具有3. 109n. S"1中子发射的中子产生器，得到大于或等于10000次命中的 计数累积数(相对于的统计不确定度)，在快中子装置中需大约一小时，而在热中子装 置中需大约十分钟。这些单元也验证了所述装置的概念。
权利要求
一种容纳裂变物质的至少一个裂变室(CH)的计数速率测量装置，其特征在于，该计数速率测量装置包括测量室(1)，其容纳所述裂变室(CH)，中子产生器(6)，其以周期性脉冲的形式朝所述裂变室发射中子，测量缆线(11)，其经由连接器(12)收集所述裂变室在所述中子与所述裂变物质交互作用下馈送的信号，中子计数器(K)，其馈送由所述中子产生器(6)发射的中子计数信号，处理系统(ST)，其在所述中子产生器发射的中子的发射时段内包含的预定时间间隔上馈送表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述中子计数信号的信号，以及电路(34)，其根据表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述中子计数信号的信号，计算参照所述中子计数信号进行了归一化的所述裂变室的计数速率(C)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述测量室(1)包括结构(3)，在该结构(3)中形成有圆筒形腔(5)，该圆筒形腔(5) 经由开口(0)而连通到所述结构的壁中，第一圆筒形套(9)，其置于所述圆筒形腔(5)的壁上，所述第一圆筒形套容纳所述测量 缆线(11)的第一部分、所述裂变室(CH)以及所述连接器(12)，第二圆筒形套(8)，其与所述第一圆筒形套(9)相隔一定距离且包围所述第一圆筒形 套(9)，所述第一圆筒形套和所述第二圆筒形套各具有通过第一环(15)固定在所述结构中 的第一端，和通过第二环(16)固定在所述结构中的第二端，其中所述第一环(15)位于所述 腔连通到所述结构的壁中的一侧，第三圆筒形套(17)，其位于所述结构的端部，大致与所述第一圆筒形套(9)对齐，所述 第三圆筒形套(17)容纳所述测量缆线的从所述第一部分延伸的第二部分，和将所述缆线 保持在所述第二套(17)中的定心环(14)。
3.根据权利要求2所述的装置，该装置包括 片材(13)，其覆盖所述第一圆筒形套(9)，和中空圆筒形结构(10)，其位于所述片材(13)与所述第二圆筒形套(8)之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述片材(13)是镉片。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，构成位于所述片材上的中空圆筒形结构 (10)的材料是含硼聚乙烯。
6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一圆筒形套(9)和所述第二圆筒形套(8) 由填充空气的间隙分隔。
7.根据权利要求2至6中任何一项所述的装置，其中，形成有所述腔(5)的所述结构 (3)由石墨制成。
8.根据权利要求2至7中任何一项所述的装置，其中，所述中子产生器(6)集成在所述 测量室的所述结构(3)中。
9.根据权利要求2至8中任何一项所述的装置，其中，所述中子计数器(K)集成在所述 测量室的所述结构(3)中。
10.一种校准装置，其用于测量至少一个裂变室中容纳的裂变物质的有效质量，其特征 在于，该校准装置包括根据权利要求1至9中任何一项所述的计数速率测量装置，和电路(35)，该电路(35)用于根据由所述计数速率计算电路(34)馈送的计数速率(C)来计算所 述裂变物质(m)的有效质量。
11. 一种测量至少一个容纳裂变物质的裂变室(CH)的计数速率的方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤以周期性脉冲的形式朝所述裂变室发射中子，以使所述裂变室馈送因所述中子与所述 裂变物质交互作用而产生的信号，对所发射的中子计数，以形成计数信号，在所发射的中子的发射时段内包含的预定时间间隔上，对由所述裂变室馈送的所述信 号以及所述计数信号进行处理，以便馈送表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述计 数信号的信号，以及根据表示所述裂变室所馈送信号的信号和表示所述计数信号的信号，计算参照所述计 数信号进行了归一化的所述裂变室的计数速率。
全文摘要
本发明涉及裂变室计数速率测量装置，并涉及相关的裂变室校准装置。所述计数速率测量装置包括测量室(1)，其容纳所述裂变室(CH)；中子产生器(6)，其以周期性脉冲的形式朝所述裂变室发射中子；中子计数器(K)，其对由所述中子产生器发射的中子进行探测和计数；以及计算电路(34)，其在预定的时间间隔上馈送参照由所述中子计数器(K)计数的中子数进行了归一化的裂变室计数速率。
文档编号G01T3/00GK101918861SQ200880122455
公开日2010年12月15日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月24日
发明者尼古拉斯·索尔, 珍妮-帕斯卡·哈德洛特, 珍妮-米歇尔·吉拉德, 菲利普·伯纳德 申请人:原子能和替代能源委员会