ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01T1/20 G01T3/06 

Изобретение предназначено для целей радиационного мониторинга, для регистрации (обнаружения) и определения местоположения источников нейтронного излучения на фоне сопутствующего, требующего учета и спектрометрического анализа гамма-излучения в системах технического радиационного контроля наземного, морского и космического базирования, в частности для обнаружения и идентификации источников нейтронного и гамма-излучения, в подразделениях министерства по чрезвычайным ситуациям, в системах таможенного контроля, в пунктах контроля за провозом делящихся материалов (урана, плутония) и в астрофизических системах контроля (за потоками высокоэнергетических нейтронов).

Известные детекторы ядерных излучений содержат, как правило, датчик и блок электронного обработки сигналов [1-5]. Например, селективный детектор по патенту [2] содержит два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, в то время как другой чувствителен только к заряженным частицам; число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с этих датчиков, выделяемым с помощью разностной схемы электронного блока. Однако возможность применимости такового детектора для регистрации незаряженных частиц, в частности гамма-излучения, в патенте [2] не оговорена. Кроме того, детектор, описанный в патенте [2], не может быть использован для работы в телескопическом режиме, т.е. для определения местоположения быстрых нейтронов, поскольку он с одинаковой эффективностью регистрирует нейтроны, поступающие как через торец, так и через боковую поверхность датчика, т. е. он не обладает геометрической избирательностью при регистрации нейтронов.

Известный детектор [3] нескольких видов излучений включает два сцинтилляционных кристалла с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой - к низкоэнергетическому, и электронно-оптический блок регистрации, выделяющий сигналы от разных кристаллов-датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов. Такой детектор имеет, однако, ограниченные области применения. По данным [3] он пригоден для регистрации рентгеновского излучения с двумя различными энергиями. Такой детектор не обладает геометрической избирательностью при регистрации излучения, т.е. не имеет выделенного телескопического направления регистрации излучения и не может определять местонахождения источника быстрых нейтронов и не обеспечивает проведения спектрометрического анализа гамма-излучения.

Известно устройство, описанное в [4], содержащее датчик, в частности, сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и электронную схему селекции (разделения) сигналов (импульсов), создаваемых нейтронами и гамма-лучами. Однако такое устройство имеет весьма ограниченные области применения: любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронов и гамма-лучей в диапазоне энергий до 10 МэВ и выше. Если сцинтилляционный датчик выполнен из водородосодержащего, чувствительного к быстрым нейтронам материала, т.е. из материала с низким эффективным атомным номером, то такой датчик практически не чувствителен к высокоэнергетическому гамма-излучению в диапазоне 1-10 МэВ и выше и тем более не пригоден для спектрометрии жесткого гамма-излучения. Если сцинтилляционный датчик выполнен из материала с высоким эффективным атомным номером, то будучи чувствительным к высокоэнергетическому гамма-излучению, он не будет регистрировать быстрые нейтроны. Таким образом, известное устройство [4] непригодно для одновременной регистрации высокоэнергетического (1-10 МэВ и выше) гамма-излучения и быстрых нейтронов, оно также непригодно для определения местоположения источника нейтронов, поскольку не может работать в телескопическом режиме (не обладает геометрической избирательностью).

Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в [5], которое содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также альфа-, бета-, гамма-излучениям, и световода, выполненного из органического водородосодержащего вещества-сцинтиллятора на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектрического умножителя, а блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от сцинтиллятора и световода. Однако такое устройство имеет достаточно ограниченные области применения: оно непригодно для спектрометрии гамма-излучения и нейтронов и, соответственно, непригодно для идентификации гамма-радионуклидов и идентификации делящихся материалов (урана, плутония и других). Поскольку чувствительный к нейтронам компонент-сцинтиллирующий световод в устройстве [5] не имеет боковой защиты, он оказывается одинаково чувствительным к быстрым нейтронам, попадающим в него как через торец, так и через боковую поверхность. Таким образом, известное устройство [5] не обладает геометрической избирательностью при регистрации быстрых нейтронов и, соответственно, непригодно для определения местоположения источников быстрых нейтронов. Кроме того, поскольку сцинтиллирующий нейтронно-чувствительный световод не имеет боковой защиты от гамма-лучей, он оказывается под воздействием сопутствующего гамма-излучения, вызывающего дополнительные сигналы, накладывающиеся на сигналы от нейтронного излучения, что снижает отношение сигнал/шум и снижает чувствительность датчика к нейтронному излучению.

Заявляемое устройство, фиг. 1, содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик состоит из чувствительного к гамма-излучению кристалла BGO (1) с колодцем и чувствительного к нейтронам сцинтиллирующего вещества (2) на основе стильбена или пластмассы, выполненного в виде сцинтилляционной вставки, размещенной в колодце в кристалле (1), причем сам кристалл BGO размещен в дополнительном двуслойном коллиматоре, внешний слой которого выполнен из водородосодержащего замедлителя нейтронов полиэтилена (3), а внутренний (4) из кадмия. В состав датчика входит также фотоумножитель (5), находящийся в оптическом контакте как с кристаллом BGO (1), так и со сцинтилляционной вставкой (2). Блок электронной обработки сигналов (6) содержит схему временной селекции, выход которой подключен ко входу дополнительного амплитудного анализатора сцинтиимпульсов.

Сущность изобретения заключается в том, что сцинтилляционный датчик помещается для защиты от нейтронов, поступающих сбоку, в дополнительный двухслойный коллиматор для обеспечения телескопического режима работы и повышения чувствительности и содержит сцинтилляционный чувствительный к гамма-излучению кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), выполненный в виде кристалла с колодцем, в который помещено в виде вставки чувствительное к нейтронам сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы, и фотоэлектронный умножитель, причем в блоке электронной обработки сигналов на выходе схемы временной селекции дополнительно размещен амплитудный анализатор сцинтиимпульсов. Стенки кристалла BGO играют роль дополнительной защиты от гамма-излучения для центральной нейтронно-чувствительной сцинтилляционной вставки.

Устройство работает в полях нейтронного и гамма-излучения следующим образом. Под действием быстрых нейтронов от делящихся материалов или других источников, попадающих через незащищенный наружным коллиматором торец датчика на чувствительную к ним пластмассовую (CH)_n или стильбеновую сцинтилляционную вставку, в ней возникают световые вспышки с длиной волны излучения 400-420 нм с длительностью 2-3 нс и с амплитудой, зависящей от энергии регистрируемого нейтрона. Эти короткие вспышки, создаваемые быстрыми нейтронами, поступают на фотокатод ФЭУ, создавая на его выходе электрические импульсы длительностью 2-3 нс, которые поступают на вход схемы временной селекции сцинтиимпульсов, которая подсчитывает число импульсов от нейтронов.

Под действием гамма-излучения в сцинтилляционном кристалле BGO возникают световые вспышки с длиной волны излучения 480-505 нм и длительностью 300 нс и амплитудой, зависящей от энергии регистрируемых гамма-квантов. Эти вспышки поступают на фотоэлектронный умножитель, создавая электрические импульсы, которые после схемы временной селекции обрабатываются амплитудным анализатором работающим в спектрометрическом режиме, который позволяет, выделять сигналы от гамма-квантов от различных нейтронных источников: от U-235 с энергией гамма-квантов 143 и 185 кэВ и сигналы от гамма-квантов Pu-239 с широким спектром излучения 20-500 кэВ с основным максимумом при 393 кэВ, позволяет выделять и различать эти сигналы, т.е. идентифицировать делящиеся материалы. Амплитудный анализатор предназначен также для выделения и идентификации сигналов от других радионуклидов (если они имеются) с энергией до 1-3 МэВ и выше. Толщина стенки и дна кристалла BGO с колодцем выбирается такой (15-30 мм и более), чтобы регистрируемое им гамма-излучение поглощалось в нем полностью, не достигало центральной сцинтилляционной вставки и не вызывало в ней шумовых импульсов, обусловленных гамма-излучением радионуклидов или гамма-фоном, что обеспечивает повышенное отношение сигнал/шум нейтронно-чувствительной вставки датчика.

Таким образом, схема временной селекции сцинтиимпульсов обеспечивает раздельный и общий учет импульсов от гамма-излучения и нейтронов, а амплитудный анализатор на выходе схемы временной селекции обеспечивает спектрометрическую обработку сигналов от гамма-квантов.

Полиэтиленовый внешний слой двухслойного коллиматора замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий, если эти нейтроны поступают в датчик из боковых направлений, отличных от осевого, а кадмиевый внутренний слой двусложного коллиматора поглощает тепловые нейтроны, не допуская их до центрального сцинтиллятора - вставки. Конверсионные гамма-кванты, возникающие при взаимодействии тепловых нейтронов с кадмием, реакция (n,γ) задерживаются и регистрируются кристаллом BGO, их вклад легко корректируется с помощью амплитудного анализатора, не уменьшая отношения сигнал/шум нейтронно-чувствительной сцинтилляционной вставки датчика. Таким образом, дополнительный двухслойный коллиматор обеспечивает направленную регистрацию нейтронов, поступающих в детектор в осевом направлении, т.е. обеспечивает телескопический режим работы детектора.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является то обстоятельство, что стенки сцинтилляционного кристалла BGO играют роль дополнительной защиты от гамма-излучения для центральной нейтронно-чувствительной сцинтилляционной вставки.

Литература
1. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. - М.: Изд-во МГУ, 1963.

2. US, патент, 3688118, кл. G 01 T 1/00, 1972.

3. ЕР, заявка, 0311503, кл. G 01 T 1/00, 1989.

4. US, патент, 4482808, кл. G 01 T 3/06, 1984.

5. RU, патент, 2088952, кл. G 01 N 1/20, 1997.

Использование: для радиационного мониторинга. Сущность: сцинтилляционный датчик, помещенный в дополнительный коллиматор, содержит сцинтилляционный чувствительный к гамма-излучению кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), выполненный в виде кристалла с колодцем, в который помещено в виде вставки чувствительное к нейтронам сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы, и фотоэлектронный умножитель, причем в блоке электронной обработки сигналов на выходе схемы временной селекции дополнительно размещен амплитудный анализатор сцинтиимпульсов. Коллиматор выполнен двуслойным из водородосодержащего замедлителя нейтронов - полиэтилена (внешний слой) и кадмиевого поглотителя нейтронов (внутренний слой). Технический результат - обеспечение направленной регистрации нейтронов (телескопический режим работы детектора), повышенное отношение сигнал/шум нейтронно-чувствительной вставки датчика. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Детектор для регистрации нейтронов и гамма-излучения, содержащий в качестве датчика сцинтилляционный кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки сигналов со схемой временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в нее от BGO, стильбена или пластмассы, отличающийся тем, что дополнительно содержит коллиматор, в котором размещен сцинтилляционный чувствительный к гамма-излучению кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), выполненный в виде кристалла с колодцем, а чувствительное к нейтронам сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы выполнено в виде сцинтилляционной вставки, размещенной в колодце кристалла BGO, причем в блоке электронной обработки сигналов на выходе схемы временной селекции сцинтиимпульсов дополнительно размещен амплитудный анализатор сцинтиимпульсов. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что коллиматор выполнен двуслойным из водородосодержащего замедлителя нейтронов полиэтилена - внешний слой коллиматора, и кадмиевого поглотителя тепловых нейтронов - внутренний слой коллиматора.