УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ Российский патент 1998 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для определения энергетического распределения направленных потоков нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до 20 МэВ.

Для регистрации и спектрометрии потока нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до 20 МэВ известно устройство, описанное в статье Семенова В.П. Трыкова Л.А. Фадеева Ю.В. "Мультисферный спектрометр с полупроводниковым детектором тепловых нейтронов". Приборы и техника эксперимента, 1974, N 5, с. 40-43, состоящее из нескольких сфер различных диаметров, изготовленных из замедляющего быстрые нейтроны вещества, как правило полиэтилена, в центре которых помещены регистраторы тепловых и медленных нейтронов (РТМН). Регистраторы, находящиеся в сферах с различными диаметрами, имеют различную энергетическую зависимость чувствительности к нейтронному излучению - S_j(E), где j 1, 2, 3.K (K число сфер). Измерение энергетического распределения нейтронов производится следующим образом. Детекторы последовательно помещаются в точку измерения и производится K измерений. Известное устройство позволяет определить энергетическое распределение только стационарного во времени потока нейтронов, так как для определения энергетического распределения приходится проводить несколько циклов измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятым в качестве прототипа является счетчик нейтронов, описанный в авт. св. N 1392523, кл. G 01 T 3/00. Счетчик содержит многослойную мишень и гамма-спектрометр. Слои мишени чередуются в направлении градиента потока нейтронов, каждый из слоев состоит из комбинации замедляющего и поглощающего нейтроны веществ. При этом в поглощающем материале происходит реакция (n, γ ), мгновенное g излучение которой регистрируется гамма-спектрометром. Содержание замедляющих и поглощающих веществ в слое выбирается из условия L_di <L_si, где L_di и L_si соответственно длина диффузии тепловых нейтронов и длина замедления нейтронов в i-м слое. С помощью g спектрометра измеряется число g квантов, образованных в каждом слое, и пересчитывается в спектральные характеристики исследуемых потоков нейтронов. Наиболее универсальным решением является использование полупроводникового спектрометра с усилительным трактом и многоканальным анализатором с мини-ЭВМ. Возможно использование и сцинтилляционных спектрометров с более простыми и дешевыми устройствами анализа амплитуд электрических сигналов с детектора и дальнейшей обработки информации. Счетчик нейтронов позволяет определить энергетическое распределение нейтронных потоков в диапазоне энергий от ультрахолодных нейтронов до нескольких МэВ.

Однако известное устройство не позволяет достичь высокой эффективности регистрации вследствие геометрического фактора, поскольку гамма-спектрометром может быть зарегистрирована только малая часть g -квантов, образующихся в результате реакции (n, g ) и распространяющихся по всему телесному углу 4π К геометрическому фактору добавляется также невысокая эффективность регистрации g -спектрометра, составляющая не более 20% Кроме того, двухступенчатый метод регистрации и применение полупроводникового гама-спектрометра предполагает сложную конструкцию и высокую стоимость всей системы. Вследствие этого затруднена эксплуатация счетчика нейтронов в мобильном варианте и устройство скорее всего может быть использовано в лабораторных условиях в стационарном варианте.

Предлагаемое изобретение обладает значительно большей эффективностью регистрации нейтронов по сравнению с известным устройством. Это достигается тем, что в известном устройстве многослойная мишень одновременно является детектором нейтронов. Поглощающие слои мишени представляют собой слои регистраторов тепловых и медленных нейтронов (РТМН), чередующиеся со слоями замедлителя. В качестве РТМН используются газоразрядные счетчики нейтронов, обладающие высокой эффективностью, которые расположены равномерно в каждом поглощающем слое. Поглощение нейтронов происходит в счетчиках, причем не происходит реакция (n, g ), вследствие чего в известном устройстве исключен g -спектрометр. Каждый слой РТМН подключен к соответствующему счетчику электрических импульсов электронного блока, с помощью которых определяется число зарегистрированных в поглощающем слое нейтронов.

На фиг. 1 представлен общий вид мишени (детектора нейтронов) при значении m 5 (m количество слоев РТМН). Мишень содержит поглощающие нейтроны слои 1, представляющие собой слои РТМН. В качестве регистраторов используются газоразрядные счетчики, наполненные гелием. Слои РТМН разделены слоями замедлителя 2, выполненного из органического материала. Используемые РТМН малочувствительны к заряженным частицам и гамма-квантам, в результате чего для измерений в смешанных полях излучения с плотностью потока протонов ниже 10 протон/кв.см•с и гамма-квантов спектра деления до 50 раз нет необходимости использования охранного сцинтиллятора, поэтому замедлитель 2 выполнен из несцинтиллирующего органического материала (полиэтилена). Расстояние между слоями РТМН выбрано не более 1,5 длины диффузии тепловых нейтронов в замедлителе.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства для регистрации потоков нейтронов. Каждый из слоев РТМН 1 мишени 3 подключен к соответствующему счетчику импульсов 4 электронного блока 5.

Работает устройство следующим образом
нейтроны, попадая в мишень, замедляются в полиэтилене 2 и, после достижения тепловой энергии, регистрируются в слое РТМН 1. Далее сигналы с каждого слоя РТМН фиксируются соответствующими счетчиками импульсов 4 электронного блока 5. Для каждой энергии нейтронов, падающих на детектор, существует глубина в слое замедлителя, равная длине замедления нейтронов той энергии, на которой эффективность их регистрации РТМН максимальна. При выборе расстояния между слоями регистраторов в более 1,5 длины диффузии будет происходить значительная потеря нейтронов вследствие поглощения их в реакциях захвата с ядрами замедлителя. Общая величина слоя замедлителя 2 должна быть больше, чем длина замедления группы нейтронов с максимальной энергией в исследуемом спектре. В полученном детекторе каждый слой обладает собственной функцией отклика в зависимости от энергии падающего излучения S_m(E). Число импульсов, регистрируемое любым слоем m в детекторе:

или в виде аппроксимации материала:

Решение этого матричного уравнения относительно φ_i есть плотность потока нейтронов в интервале энергий i.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить энергетическое распределение направленных потоков нейтронов и по сравнению с прототипом обладает значительно большей эффективностью регистрации нейтронов и значительно большей чувствительностью, полученной в результате возможности регистрации практически всех нейтронов, падающих на детектор непосредственно в слоях РТМН и благодаря высокой эффективности самих РТМН (газоразрядных счетчиков, наполненных He), близкой 100% Кроме того, конструкция предлагаемого устройства значительно проще и дешевле конструкции прототипа, т.к. устройство построено из простых и дешевых составляющих элементов, в результате чего не требуются специальные условия эксплуатации и существует возможность использования предлагаемого устройства в мобильном варианте.

Использование: определение энергетического распределения направленных потоков нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до 20 МэВ. Сущность изобретения: устройство для регистрации потоков нейтронов содержит мишень, состоящую из замедляющих нейтроны слоев, чередующихся в направлении градиента нейтронного потока со слоями регистраторов тепловых и медленных нейтронов, в качестве которых использованы газоразрядные счетчики нейтронов, расположенные равномерно в каждом слое. Каждый слой счетчиков подключен к соответствующему счетчику электрических импульсов электронного блока. 2 ил.

Устройство для регистрации потоков нейтронов, содержащее мишень, состоящую из замедляющих и поглощающих нейтроны слоев, чередующихся в направлении градиента нейтронного потока, и электронный блок, состоящий из счетчиков электрических импульсов, отличающееся тем, что поглощающие нейтроны слои представляют собой слои регистраторов тепловых и медленных нейтронов, в качестве которых применены газоразрядные счетчики нейтронов, расположенные равномерно в каждом поглощающем слое, причем каждый слой подключен к соответствующему счетчику электрических импульсов электронного блока.