ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 1997 года по МПК G01T1/204 G01T3/06 

Изобретение относится к технике регистрации нейтронов, а точнее к устройствам для спектрометрии нейтронов по времени пролета и определения угла вылета нейтронов, и предназначено для использования в ядерно-физических экспериментах.

Известно устройство, описанное в 1 Оно состоит из кварцевой трубы 55 см длиной и 3,8 см в диаметре, заполненной жидким сцинтиллятором, и двух фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) типа GDB-49. Труба имеет кварцевые окна по торцам, к которым на оптическом контакте прижаты ФЭУ.

Недостатками такого устройства являются существенное ослабление (поглощение и отражание) собираемого на ФЭУ света в соединении кварцевое окно-оптическая смазка-ФЭУ, а также отсутствие расширительной камеры для дозированного сброса давления при расширении сцинтиллятора, что не позволяет располагать указанный детектор вертикально (детектор располагается только в горизонтальной плоскости).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному детектору является выбранное в качестве прототипа устройство, описанное в 2 Прототип состоит из кварцевого контейнера длиной 100 см прямоугольного сечения 11,5*6 см, заполненного жидким сцинтиллятором NE-213, и двух ФЭУ типа RCA 8854, расположенных по торцам контейнера.

Недостатками этого устройства являются
соединение ФЭУ и кварцевого контейнера, так как ФЭУ приклеены к торцам кварцевого контейнера специальным составом AV 138 и HV 998 (ФРГ), поэтому это соединение не является разборным и при выходе из строя одного из элементов конструкции (например, ФЭУ, стоимость которого высока 2000$) детектор не пригоден к работе и нет возможности замены элемента конструкции;
делители напряжения питания ФЭУ, так как в устройствах 1,2 применяются стандартные (указанные в паспорте фирмой изготовителем) делители напряжения питания, что приводит к тому, что ФЭУ работают не в оптимальном временном и спектрометрических режимах, которые можно достигать на ФЭУ данного образца;
неполный съем информации с устройства, так как в устройстве 1 не снимаются динодные сигналы с ФЭУ, а в устройстве 2 динодные сигналы суммируются, а не используются индивидуально, что уменьшает объем снимаемой информации, а, следовательно, и возможности устройства.

Задачей изобретения является разработка устройства, лишенного недостатков указанных выше, которое может быть использовано одновременно для спектрометрии нейтронов по времени пролета; определения угла вылета нейтронов (позиционная чувствительность детектора); разделения сигнала от нейтронов и гамма-квантов.

На чертеже изображен схематически позиционно-чувствительный детектор нейтронов.

Согласно изобретению устройство (позиционно-чувствительный детектор нейтронов) состоит из кварцевой трубы 1 длиной 100 см с наружным диаметром 6 см (толщина стенки 2,5 мм) и двух фотоумножителей (ФЭУ типа 30 с диаметром фотокатода 5 см) 2. Кварцевая труба заполнена жидким сцинтиллятором 3. Сцинтиллятор типа ЖС-13 на основе α-метил-нафталина с разделением нейтронов и гамма квантов. Фотоумножители погружены прямо в жидкий сцинтиллятор, чтобы избежать затухание света на торцах кварцевой трубы. ФЭУ расположены по концам кварцевой трубы. Между кварцевой трубой и ФЭУ установлено разборное уплотнение 4, выполненное с использованием 2-х сторонних фланцев 5 и резиноподобного, стойкого к жидким углеводородам пластика 6, расположенного между фланцами. Такое разборное соединение в отличие от прототипа позволяет быстро заменить элементы конструкции (например, ФЭУ) при выходе их из строя, что делает дорогостоящий детектор пригодным к работе длительное время. Расширительная камера 7, расположенная над кварцевой трубой, имеет тефлоновую заглушку 8 с находящимся в ней уплотнением 9 из пластика, а также капиллярный клапан 10 для дозированного сброса давления при расширении сцинтиллятора. Такая конструкция расширительной камеры позволяет как горизонтальное, так и вертикальное расположение детектора, что важно для проведения физических экспериментов, по регистрации нейтронов в разных плоскостях реакций. Фотокатод и первые диноды ФЭУ защищены цилиндром 11 из пермалоя. Для защиты от света детектор помещен в железный кожух (10*10*160 см, толщина стенок 0,8 мм) 12. В кожухе также размещены делители напряжения питания 13 ФЭУ и инвертор-повторитель 14 для снятия спектрометрического сигнала с последнего динода ФЭУ.

Делители напряжения питания ФЭУ в отличие от прототипа находятся в режиме минимального временного разброса анодного сигнала. Режим достигнут подбором сопротивлений делителя между катодом, первым и вторым фокусирующими электродами ФЭУ. Последнее приводят к получению наилучшего временного разрешения для ФЭУ данного образца. Временное разрешение электронного тракта, содержащего два ФЭУ и электронику (формирователи со следящим порогом, время-цифровые преобразователи), составило 1,4 нс. Добавление демфирующих сопротивлений на последних динодах ФЭУ позволило убрать паразитные колебания анодного сигнала ФЭУ, что устранило ложные срабатывания электроники при низких порогах регистрации. Спектрометрический сигнал снимается с последнего динода ФЭУ и выведен через схему инвертора-повторителя. Сигнал, в отличие от прототипа имеет отрицательную полярность, что позволяет использовать однотипную электронику для обслуживания как динодных, так и анодных сигналов (анодные сигналы имеют отрицательную полярность).

Детектор работает следующим образом. Нейтрон, попадая в жидкий сцинтиллятор, сталкивается с ядрами водорода или углерода, возникающее излучение вызывает свечение сцинтиллятора, которое регистрируется ФЭУ. С детектора одновременно снимаются два временных сигнала (аноды ФЭУ) и два спектрометрических сигнала (диноды ФЭУ). Индивидуальный съем всех сигналов с детектора приводит к получению дополнительной информации, а, следовательно, к улучшению характеристик устройства для спектрометрии нейтронов и определения позиции попадания нейтрона в детектор так как информация о позиции попадания нейтрона в детектор получается из разницы между временами прихода света до двух ФЭУ с обоих концов детектора, а отношение амплитуд динодных сигналов дает дополнительную информацию о позиции. Спектрометрия нейтронов осуществляется по времени пролета нейтрона до детектора, а сумма амплитуд динодных сигналов определяет энергию отдачи протонов и, следовательно, дает дополнительную информацию об энергии нейтрона.

Качество позиционно-чувствительного нейтронного детектора определяют следующие характеристики: временное разрешение, позиционное разрешение, эффективность регистрации, разделяющая способность нейтронов и гамма - квантов, энергетический порог регистрации.

Характеристики детектора:
временное разрешение (вместе с электроникой) 1,4 нс;
позиционное разрешение при длине 100 см 10 см;
энергетический порог регистрации нейтронов 0,5 МэВ;
эффективность регистрации нейтронов при средней энергии нейтронов по спектру деления 40%
Разделяющая способность нейтронов и гамма-квантов >100.

Детектор характеризуется также:
надежностью в работе (>1000 часов работы), низкой стоимостью (по сравнению с прототипом), возможностью быстрой замены элементов конструкции.

Сущность изобретения: детектор состоит из кварцевой трубы, заполненной жидким сцинтиллятором, и двух фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), расположенных по торцам трубы и имеющих непосредственный контакт со сцинтиллятором. Над кварцевой трубой расположена расширительная камера для дозированного сброса давления при расширении сцинтиллятора. Между кварцевой трубой и ФЭУ установлено разборное уплотнение, что дает возможность быстрой замены элементов конструкции. Делители напряжения питания ФЭУ выведены в режим минимального временного разброса анодного сигнала. Спектрометрический сигнал снимается с последнего динода ФЭУ и выведен через схему инвертора-повторителя. С детектора одновременно снимаются два временных сигнала (аноды ФЭУ) и два спектрометрических сигнала (диноды ФЭУ). Данный детектор может быть использован одновременно для спектрометрии нейтронов по времени пролета, определения угла вылета нейтронов и разделения сигналов от нейтронов и гамма-квантов. 1 ил.

Позиционно-чувствительный детектор нейтронов, состоящий из кварцевой трубы, заполненной жидким сцинтиллятором, и двух фотоэлектронных умножителей, расположенных по торцам устройства, помещенных в железный кожух, отличающийся тем, что фотоэлектронные умножители имеют непосредственный контакт со сцинтиллятором, причем между кварцевой трубой и фотоэлектронным умножителем установлено разборное уплотнение, выполненное с использованием двусторонних фланцев и резиноподобного, стойкого к жидким углеводородам пластика, расположенного между фланцами, а расширительная камера, расположенная над кварцевой трубой, имеет тефлоновую заглушку с находящимся в ней уплотнением из пластика, а также капиллярный клапан для сброса давления при расширении сцинтиллятора, причем делители напряжения питания фотоэлектронных умножителей обеспечивают режим минимального временного разброса анодного сигнала и содержат демпфирующие сопротивления на последних динодах фотоэлектронных умножителей, а спектрометрический сигнал, снимаемый с последнего динода фотоэлектронного умножителя, выведен через схему инвертора-повторителя и имеет отрицательную полярность.