УДК 621.039.5

Тестирование программы цифрового разделения откликов нейтронов и фотонов при различных загрузках сцинтилляционного тракта.

 

Ромоданов Вадим Леонидович,

доктор физико-математических наук, профессор.

Афанасьев Валерий Викторович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Белевитин Александр Геннадьевич,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник.

Мухамадьяров Ильдар Венирович,

аспирант.

Московский Инженерно-Физический Институт (Государственный Университет).

Готовый бизнес

бренда. Постоянная поддержка. Стабильный бизнес

ооопрофтехком.рф

 

Предлагается набор тестов цифровых программ разделения откликов нейтронов и фотонов, использование которого дало рекомендации по применению программной обработки данных в установках обнаружения и контроля делящихся материалов. Исследовалась программа цифрового разделения нейтронов и фотонов в зависимости от загрузки сцинтилляционного тракта при различных энергетических порогах нейтронного спектра и параметрах формы импульсов откликов. Тестирование программы разделения нейтронных и фотонных откликов было проведено на специально созданных тестовых амплитудно-временных последовательностях импульсов.

 

Введение.

 

В связи с возможными случаями нарушения международной договоренности о нераспространении ядерных материалов и, как следствие этого, возможными актами ядерного терроризма, назрела необходимость в создании устройств обнаружения и контроля радиоактивных и делящихся материалов (ДМ) в ключевых точках их производства, хранения и переработки, а также при транспортировке различных грузов через таможенные пункты государственных границ. В случае организации террористических актов с использованием радиоактивных и ДМ их последствия могут быть крайне тяжелыми, так как кроме человеческих жертв может произойти также долговременное заражение местности. При этом наибольшую опасность представляет незаконное распространение ²³⁵U и ²³⁹Pu, так как эти материалы являются основными компонентами ядерного оружия. Поэтому разработка новых устройств обнаружения социально опасных материалов и связанных с ними адекватных технологий в значительной мере определяется методами обработки информации, получаемых от детекторов ядерных частиц, а актуальность этой задачи соответствует реалиям современного мира.

В связи с этим в проектах МНТЦ №596 и №2978 были разработаны физический метод и цифровая технология обнаружения делящихся и радиоактивных материалов в модели с графитовым замедлителем нейтронов и импульсным источником нейтронов [1,2]. Цифровая технология предполагает запись временной последовательности всех откликов нейтронов и фотонов деления, возникающих в сцинтилляторе от протонов отдачи и комптоновских электронов в память компьютера с последующим их разделением с помощью специально созданных программ. При этом возникает два канала получения информации о содержимом исследуемого объекта: нейтронный и фотонный. Использование цифровой обработки сцинтилляционных сигналов в установках обнаружения ДМ с импульсными нейтронными источниками является необходимым элементом, так как разделение нейтронов и фотонов во временных зависимостях ведется при загрузках электронных трактов, недоступных для работы стандартных типов спектрометров. Это объясняется экспоненциальными спадами временных зависимостей нейтронных и фотонных полей, создающих высокую и переменную загрузку электронных трактов в установках с импульсными генераторами нейтронов. Поэтому, использование цифровой обработки откликов нейтронов и фотонов сцинтилляционных сигналов практически снимает проблему мертвого времени и позволяет создавать унифицированные системы сбора данных, для которых становится ненужным использование временных анализаторов, схем совпадений со сдвиговыми регистрами, а также и спектрометрических устройств. Это значительно уменьшает номенклатуру электронных блоков и позволяет использовать ранее недоступные для таких целей физические методы обнаружения и контроля ДМ. Различные методы цифровой обработки сцинтилляционных сигналов представлены в работах [3 - 10].

 

Комплекс цифровой обработки сцинтилляционных сигналов в установках обнаружения радиоактивных и ДМ.

 

Для аппаратурного обеспечения разработанных программ цифрового разделения нейтронов и фотонов фирмой “Инструментальные системы” (Москва, Россия), была создана аналого-цифровая измерительная система на основе двух субмодулей типа ADM212x100M, которая предназначалась для преобразования напряжения электрических сигналов в цифровую форму с высокой частотой дискретизации и сохранения временной последовательности событий для последующей обработки сцинтилляционных откликов [5]. Измерительная система состоит из промышленного компьютера, двух базовых модулей и программного обеспечения. Каждый субмодуль ADM212x100M содержит два канала 12-разрядного аналого-цифрового преобразования, генераторы опорной частоты дискретизации до 100 МГц и программируемый входной усилитель с полосой пропускания до 70 МГц. Субмодули установлены на базовые модули AMBPCM, которые, в свою очередь, установлены в слоты PCI на материнской плате IBM-совместимого компьютера. Базовый модуль обеспечивает сопряжение субмодуля с внешними сигналами, оперативной памятью и шиной PCI. На каждой плате базового модуля находится входной буфер и автономное ОЗУ емкостью 2 Гбайт, не входящее в состав памяти операционной системы компьютера. Для обеспечения синхронного преобразования двумя базовыми модулями, один из модулей работает под управлением собственного тактового генератора, а второй использует тактовую частоту первого модуля. Работа измерительной системы контролируется программной оболочкой ISVI, работающей под управлением ОС Windows.

Созданный комплекс программ объединен в одну общую компьютерную вычислительную структуру и имеет возможность определять следующие характеристики смешанных нейтронных и фотонных полей:

1.                  Раздельные временные распределения нейтронов и фотонов смешанного излучения (аналог временного анализатора).

2.                  Раздельные амплитудные распределения нейтронных и фотонных полей (аналог спектрометра).

3.                  Временные совпадения событий  (аналог схем совпадений).

4.                  Комбинированные задачи, соответствующие первым трем пунктам.

Анализируемый отклик в пределах интервала обработки аппроксимировался функцией:

F(t) = A∙exp(-a∙t) + B∙exp(-b∙t) + C∙exp(-c∙t),

где A, a, B, b, C, c –параметры сцинтилляционного импульса, а t – время от начала импульса. Началом интервала являлась точка пересечения левым фронтом отклика заданного уровня импульса. Величина уровня задавалась программно в пределах (20-80)% от амплитуды импульса, а его длительность находилась в пределах (200-2000) нс, что составляло (20-200) отсчетов при интервале дискретизации 10 нс.

Программно может быть задано 2 или 3 экспоненты, входящих в функцию F(t). Показатели экспонент a,b,c могут быть фиксированы или изменяться в процессе аппроксимации. Как показали исследования, при длительности интервала обработки до 400 нс достаточно хорошие результаты дает функция F(t), содержащая две экспоненты. При больших длительностях интервала обработки необходимо включение третьей экспоненты, описывающего поведение на «хвосте» распределения.

Проведенные исследования показали, что разделение нейтронов и фотонов можно реализовать, используя различные параметры разделения, характеризующие форму сигнала по следующим признакам:

- отношение двух площадей, вычисленных для разных участков импульса;

- отношение площади выбранного участка импульса к его амплитуде;

- положение максимума импульса относительно начала интервала обработки;

- длительность импульса, измеренная от начала интервала обработки до точки пересечения задним фронтом импульса заданного уровня;

-  оптимальный фильтр разделения откликов нейтронов и фотонов [11].

Для увеличения статистической точности получаемых результатов необходимо выбрать, как метод разделения нейтронов и фотонов, так и возможную загрузку сцинтилляционных трактов, которая в значительной мере ограничивается наложением импульсов откликов нейтронов и фотонов. При этом разделение наложенных двойных импульсов возможно производить программным образом, в то время как наложение тройных и более импульсов разделить практически невозможно, что приводит к необходимости их программного удаления из временной последовательности. Ввиду этого встает задача количественного определения числа разделенных откликов нейтронов и фотонов деления ДМ при различных методах их разделения, энергетических порогах счета импульсов, “гладкости” сцинтилляционных импульсов, длительности интервала их обработки и загрузках электронных трактов. Такая информация показывает возможность цифрового разделения нейтронов и фотонов в различных областях их применения, так как фоновые характеристики в установках обнаружения и контроля ДМ могут значительно отличаться. Под фоновой характеристикой при этом понимается число импульсов в нейтронном канале, когда анализируется фотонное излучение. Очевидно, что чем ниже загрузка сцинтилляционного канала и выше энергетический порог, тем меньше фоновая составляющая.

Был создан набор тестов цифровых программ разделения откликов нейтронов и фотонов, использование которого дает количественные рекомендации по применению программной обработки данных в установках обнаружения и контроля ДМ. Задача обнаружения ДМ предполагает практически полное отсутствие фоновой составляющей в нейтронном канале, что позволяет реализовать высокую эффективность установки при наличии в инспектируемом объеме всего нескольких грамм урана или плутония в закрытых контейнерах, даже в случае сознательного сокрытия ДМ с помощью свинцовых или кадмиевых экранов. Поэтому условием ее решения считалось присутствие не более одного, двух фоновых импульсов при ~10.000 импульсах в фотонном канале в том случае, когда ДМ отсутствует в инспектируемом объеме. При исследовании состава тепловыделяющих сборок ядерных реакторов число фоновых импульсов может быть на порядок больше, так как отклик ДМ в этом случае также велик.

Обнаружение ДМ может проводиться, как активным, так и пассивным методами. Так, например, при пассивном методе обнаружения ²³⁵U энергетический порог детектирования откликов должен быть ниже энергии собственного излучения урана, равного 185,7 кэВ. В случае активного метода обнаружения ДМ энергетический порог может быть выше, что улучшает характеристики разделения нейтронных и фотонных откликов. Ввиду этого, набор тестов включал в себя оба рассмотренных случая и проводился при энергетических порогах фотонов, равных 150 кэВ и 269 кэВ. Проведенные исследования показали, что коэффициент разделения нейтронов и фотонов в значительной степени зависит от “гладкости” сцинтилляционных импульсов, и длительности интервала времени их обработки. При анализе откликов нейтронов и фотонов различных источников нейтронов длительность интервала обработки импульсов находилась в пределах (200-600) нс. Для характеристики “гладкости” сцинтилляционных импульсов был разработан специальный алгоритм, в котором “гладкость” определялась параметром формы импульса и выражалась в относительных единицах. Параметр формы отбора импульсов, характеризует степень наложенных сигналов в анализируемом отклике, и при этом, чем он меньше, тем жестче становится критерий отбора. Более детальное описание алгоритма программы и параметров цифрового разделения нейтронов и фотонов дано в работе [12]. Типичное представление разделенных откликов нейтронов и фотонов при различных загрузках сцинтилляционного тракта в зависимости от параметра разделения дано на рис.1. В этом представлении каждый импульс соответствует одной точке на графике.

 

Рис.1.

Цифровое разделение нейтронов и фотонов для кристалла стильбена при различных загрузках сцинтилляционного тракта.

 

Наиболее полное тестирование программы разделения нейтронных и фотонных откликов было проведено на следующих специально созданных тестовых амплитудно-временных последовательностях импульсов, которые были записаны на твердых носителях информации. Тест состоял из трех отдельных частей, описание которых приводится ниже.

1.         Тест разделения двойных наложенных сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов.

Целью данного тестирования являлось выявление возможности идентификации частиц и их типа с помощью программы разделения нейтронных и фотонных откликов на смоделированной последовательности двойных наложенных импульсов нейтронов и фотонов, с известными значениями их амплитуд, временем их прихода и задержки между временем их прихода, которые моделировались методом Монте-Карло с помощью случайных чисел. Для этого из экспериментально полученных распределений сцинтилляционных откликов было выбрано по одному нейтронному и фотонному отклику. Процесс моделирования сопровождался протоколированием в отдельном файле наложенных откликов одного или разных типов частиц, их амплитуд и времен прихода. Эти данные в последующем использовались для проверки правильности работы программы разделения нейтронов и фотонов. Вся последовательность содержала 250 пар наложенных импульсов. Рассматривались случаи идентификации отдельных импульсов, а также случаи ошибочной идентификации типа частиц (нейтрон вместо фотона и наоборот).

Результаты тестирования, представленные на рис. 2, показали, что практически в большинстве случаев возможна идентификация, как самих частиц, так и их типа. Для разных параметров формы, интервала времени обработки и при условии удаления программой части импульсов, которые не могут быть разделены программой, количество идентифицированных импульсов меняется от 30% до 73%. В пределах выбранного интервала времени обработки программа анализирует форму импульса в соответствии с заложенным алгоритмом и делит весь массив данных на нейтроны и фотоны. При этом присутствуют случаи ошибочно идентифицированных импульсов. Это связано с тем, что при “мягких” параметрах фильтрации импульсов программа может идентифицировать некоторые фотонные отклики как нейтронные. Рисунок 3 демонстрирует этот факт, и поэтому следует тщательно подбирать параметры и алгоритмы отбора для того, что бы исключить ложную идентификацию типа частиц. Наилучший интервал времени обработки импульса в данном тестировании оказался равным 500 мкс, поскольку при этом достигается отсутствие ошибочно идентифицированных импульсов при всех параметрах формы. Однако при других временах обработки импульсов также возможно получение их правильной идентификации за счет выбора параметра формы импульсов. Наихудшими интервалами являются 200 мкс и 600 мкс, поскольку в первом случае количество ошибочно идентифицированных импульсов максимально при всех параметрах формы, а во втором количество идентифицированных импульсов наименьшее.

 

 Рис.2.

Количество идентифицированных импульсов модельной   последовательности наложенных откликов нейтронов и фотонов в зависимости от параметра формы импульсов и интервала их обработки.

 

Рис.3.

Количество ошибочно идентифицированных импульсов модельной последовательности наложенных откликов нейтронов и фотонов в зависимости от параметра формы импульсов и интервала их обработки.

 

2.                  Тест откликов фотонов с различной загрузкой сцинтилляционного тракта.

Целью тестирования является выявление областей различных значений фона в нейтронном канале, при записи откликов фотонов с различными загрузками. В тесте использовалась экспериментально полученная при различных загрузках последовательность фотонных импульсов от источника ⁶⁰Со и ¹⁸²Та, в которой энергия гамма квантов составляла ~1 МэВ, что соответствовало средней энергии гамма квантов деления ДМ. Малые энергии гамма квантов были исключены путем их амплитудной дискриминации. При этом в качестве сцинтиллятора использовался кристалл стильбена размером Ø40х40 мм. Величина загрузки менялась от 10³  до 10⁶ имп/c. Тестирование проводилось при двух энергетических порогах фотонов, равных 150 кэВ и 269 кэВ. Кроме этого, при тестировании изменялся параметр формы импульсов и время интервала их обработки. Основным результатом тестирования было получение параметра формы импульсов при определенном временном интервале их обработки в случаях, когда в нейтронном канале практически отсутствовал фон фотонов. Это соответствует наибольшей чувствительности установок обнаружения ДМ, так при этом его присутствие может обнаруживаться малым числом импульсов. Результаты тестирования показали, что области нулевого нейтронного фона существуют при всех рассмотренных загрузках, но при разных параметрах формы импульсов и числе отбракованных импульсов.

Интервалы времени обработки импульсов 500 нс и 600 нс, могут быть наилучшим образом использованы для задач обнаружения ДМ, поскольку при всех рассмотренных загрузках наблюдается нулевой фон, и появление нескольких импульсов в случае присутствия ДМ в нейтронном канале будет являться безальтернативным признаком его наличия. То же самое относится к интервалам обработки импульса 300 нс и 400 нс, но при условии, что загрузка не будет превышать значения ~1,1∙10⁴ имп/c.

Также имеется область, в которой число фоновых импульсов в нейтронном канале составляет ~ (2-3). К этой области относится интервал времени обработки импульса, равный 400 нс при загрузках, находящихся в интервале ~(5,7∙10⁴-10⁶) имп./c. Эта область также может быть использована для задач обнаружения ДМ большего количества, так как при этом в отклике будет регистрироваться большее количество нейтронов. Область, в которой фон составляет порядка ~(10-100) импульсов в интервале времени обработки импульса, равном 200 нс, пригодна для анализа состава реакторного топлива и определяется количеством ²³⁵U в ТВС ядерных реакторов.

 

Рис. 4.

Количество фоновых фотонов в нейтронном канале в зависимости от загрузки и временного интервала обработки импульса при “жестком” параметре формы импульсов.

 

3.         Тест сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов калифорниевого нейтронного источника с различной загрузкой фотонного канала.

Целью тестирования является получение информации о числе идентифицированных нейтронов в нейтронном канале при различных загрузках сцинтилляционного тракта, соответствующего фотонам. В тесте анализировалась экспериментально полученная при различных загрузках последовательность импульсов от источника нейтронов ²⁵²Сf в смеси с источниками фотонов ⁶⁰Со и ¹⁸²Та, которые использовались в предыдущем тесте. При этом нейтронный источник при всех загрузках находился на одном и том расстоянии от сцинтиллятора, а изменяющаяся загрузка создавалась фотонным источником, расстояние которого от стильбена изменялось. При таких условиях эксперимента число идентифицированных импульсов в нейтронном канале в идеальном варианте не должно меняться, так как выход нейтронов источника постоянен, а расстояние от источника до детектора не изменяется. Тем не менее, анализ результатов показал, что в нейтронном канале при увеличении загрузки возникают импульсы, которые представляют собой наложения нескольких различных импульсов, которые программа разделения не может идентифицировать адекватно. Поэтому такие импульсы отбраковываются программой и число нейтронов отклика значительно уменьшается.

 

 Рис.5.

Зависимость откликов нейтронов от источника Cf²⁵²  в сцинтилляционном тракте при различных параметрах формы, времени анализа импульса 600 нс и энергетическом пороге по фотонам, равном 150 кэВ.

 

Рис.6.

Зависимость откликов нейтронов от источника Cf²⁵²  в сцинтилляционном тракте при различных параметрах формы, времени анализа импульса 600 нс и пороге 269 кэВ.

 

Анализ результатов теста представленный на рисунках 5 и 6 показывает, что основная перегрузка сцинтилляционного тракта возникает на участке от 2,1∙10⁵ до 10⁶ имп/с. Однако в этой области загрузок работа программы по разделению откликов нейтронов и фотонов также возможна, но при большом количестве отбракованных импульсов. Поэтому параметры цифровой обработки сцинтилляционных откликов нейтронов и фотонов следует выбирать в зависимости от загрузки, руководствуясь конкретной задачей которую должна выполнять установка.

 

Заключение.

 

Результаты обработки серии тестовых измерений выявили области загрузок сцинтилляционного тракта наиболее пригодные для задач обнаружения ДМ и контроля состава ТВС ядерных реакторов. Результаты анализа представленных тестов на рисунках 5 и 6 показывают, что области I, и II, в которых фон в нейтронном канале от гамма источников нулевой или составляет (1-3) импульса, можно рекомендовать для обнаружения ДМ в таможенной установке контроля багажа пассажиров аэропортов. Область III пригодна для анализа состава реакторного топлива и, в частности, определения количества ²³⁵U в ТВС ядерных реакторов. При этом фоновая составляющая может быть на уровне десятков импульсов, что определяется достаточно большим количеством импульсов нейтронного отклика большой массы урана. При “жестком” параметре отбора импульсов по форме для задач обнаружения ДМ можно работать на всей области по загрузок от 10³ до 10⁶ имп/сек. Однако при больших загрузках число отбракованных импульсов может достигать ~(70-90)%.

Из зависимостей откликов нейтронов от Cf²⁵² для разных порогов видно, что область максимальной чувствительности смещается в область больших загрузок, при увеличении уровня дискриминации, но при этом отрезается область гамма линии 185,7 кэВ от ²³⁵U , что приводит к тому, что установка не может работать в пассивном режиме.

В результате выполнения работы был разработан методический подход к выбору параметров установки обнаружения и контроля ДМ, необходимый для определения ее максимальной чувствительности. Имеется сильная взаимная связь между параметрами работы установок и параметрами обработки данных, которая и определяет область максимальной чувствительности установки. Определение максимальной чувствительности установки следует рассматривать как многофакторную задачу, в которой определяющую роль играет загрузка сцинтилляционного тракта.

 

Литература.

 

1.         Разработка технологий идентификации делящихся материалов неразрушающим способом в пунктах их контроля. Проект МНТЦ №596. (2000-2003).

2.         Цифровая технология обнаружения и контроля делящихся материалов в установках с импульсными нейтронными источниками. Проект МНТЦ №2978. (2005-2008).

3.         А.В. Караулов, В.В. Баранов, А.Г. Белевитин, В.Г. Николаев, В.В. Афанасьев, В.Л. Ромоданов. Разработка метода цифровой обработки сигналов в водородосодержащих сцинтилляционных системах неразрушающего контроля делящихся материалов (Материалы XII семинара по проблемам физики реакторов Москва “ВОЛГА-2002”) 2002.

4.         S. Marrone, D. Cano-Ott, N. Colonna et al. Pulse shape analysis of liquid scintillators for neutron studies. NIM, A490 (2002), p.299.

5.         Kornilov N.V., Khryachkov V.A., Dunaev M.V. et al. Neutron spectroscopy with fast waveform digitizer. NIM, A497, (2003), pp.467-478.

6.         Хрячков В.А. Методы цифровой спектрометрии ядерных излучений. Диссертация ФЭИ им А.И. Лейпунского 2004.

7.         М. В. Прокуронов, А. Н. Шабалин. Цифровая идентификация нейтронов и гамма квантов по форме импульса при высокой загрузке детектора и низкой энергии регистрируемого излучения  ПТЭ. 2007. № 3. С. 31-45

8.         M. Flaska, S.A. Pozzi. Identification of shielded neutron sources with the liquid scintillator BC-501A using digital pulse shape discrimination method. Nucl. Instr. and Meth..A 577 (2007), pp. 654-663.

9.         Ромоданов В.Л., Афанасьев В.В., Белевитин А.Г., Рябов Р.Ю Комплекс цифровой обработки данных в установках обнаружения радиоактивных и делящихся материалов, Препринт МИФИ, 2005.

10.       Romodanov V.L., Afanasiev V.V., Belevitin A.G., Mukhamadyarov I.V. Detection of fissile materials concealed with radiation absorbing shields in installation with pulsed neutron sources and digital signal processing. (Proceedings of 47 Annual  INMM Meeting, 2006, paper 126)

11.       E. Gatti and F. de Martini // Nuclear Electronics, I.A.E.A., Vienna, 1962, no. 2, p. 265

12.       V.L. Romodanov, V.V. Afanasiev, A.G. Belevitin, I. V. Mukhamadyarov, Sakharov V.K., Chernikova D.N  A fissile material detection and control facility with pulsed neutron sources and digital data processing. IAEA Conference, Edinburg, 19-22 November 2007

 

Поступила в редакцию 20.03.2008 г.