В НИЯУ МИФИ разработали нейтронный анализатор горных пород – уникальное устройство, предназначенное для определения химического состава образцов различной природы. Разработка представлена на форуме «Армия-2024».
Прибор способен определить процентные доли химических элементов, входящих с состав горной породы, облучая образец быстрыми нейтронами. Устройство обладает рядом преимуществ перед аналогами: время анализа образца занимает всего 30 минут, причем, благодаря высокой проникающей способности нейтронного излучения, элементный анализ (объемный и неразрушающий) проходит по всему объему образца, и кроме того прибор позволяет определять наличие в образце легких элементов, таких, как водород, бор или хлор.
Новый прибор может применяться в горнодобывающей и нефтяной промышленности, в металлургии, а также в научных исследованиях.
Как рассказал инженер кафедры прикладной ядерной физики НИЯУ МИФИ Олег Чакилев, нейтронно-радиационный метод основан на измерении спектров вторичного гамма-излучения, возникающего при облучении породы нейтронами. В результате первых соударений нейтронов с ядрами атомов горной породы, начинается так называемое неупругое рассеяние нейтронов, при котором нейтроны замедляются, передавая бóльшую часть энергии на возбуждение ядер атомов мишени. В результате ядра начинают излучать гамма-лучи, спектр которых является индивидуальной характеристикой атомов.
Но на этом взаимодействие нейтронов с атомами образца не кончается. Процесс замедления быстрых нейтронов в ходе неупругих взаимодействий длится несколько десятков микросекунд. Затем в веществе горной породы возникает излучение тепловых нейтронов. Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами элементов и переходят в возбужденное состояние. Время жизни тепловых нейтронов – около 100 микросекунд. Последствием радиационного захвата теплового нейтрона ядром атома также является немедленное излучение гамма-квантов. Спектр гамма-излучения радиационного захвата также является индивидуальной характеристикой атомного ядра.
Гамма-излучение неупругого рассеяния и радиационного захвата от образца регистрируется сцинтилляционным детектором на основе кристалла бромида лантана. При взаимодействии гамма-излучения с веществом детектора образуются вспышки света, которые с помощью фотокатода преобразуются в электроны. Далее происходит процесс лавинного размножения электронов в фотоэлектронном умножителе: первичный сигнал умножается в несколько тысяч раз, благодаря чему образуются электрические импульсы, которые фиксируются электронной аппаратурой, позволяя измерять характеристики гамма-излучения.
В результате работы установки формируются энергетические спектры распределения гамма-излучения, при этом энергия гамма-излучения индивидуальна для каждого химического элемента, содержащегося в образце. Количество гамма-квантов, зарегистрированных детектором в определенных энергетических областях пропорционально концентрации элементов – поэтому измерение скоростей счета, характерных для каждого элемента в энергетических областях, дает возможность определения содержания элементов в горных породах. Нейтронный анализатор, таким образом, способен предоставлять результаты элементного анализа за короткий промежуток времени без разрушения анализируемого образца.
При эксплуатации установки соблюдаются все нормы радиационной безопасности, а в выключенном ее состоянии полностью отсутствует излучение, благодаря использованию импульсного нейтронного генератора 07 Т, разработанного партнером НИЯУ МИФИ – ВНИИА им. Духова.