ИМПУЛЬСНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА Российский патент 2003 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным запаянным нейтронным трубкам, и может быть использовано в низковольтной ускорительной технике, геофизическом приборостроении, в частности, при разработке импульсных генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин методом импульсного нейтронного каротажа (ИНК).

Известно устройство для получения импульсов нейтронного излучения (см., например, Бессарабский Ю.Г., Боголюбов Е.П., Курдюмов И.Г. и др., "Управляемый скважинный излучатель нейтронов". Атомная энергия, т. 77, в. 3, 1994, с.226, и патент РФ 1590019, кл. G 21 G 4/02, 1993 г.), которое представляет собой металло-стеклянную вакуумную оболочку с размещенными в ней электродными узлами: источником ионов, ионно-оптической системой, газопоглотителем и мишенью, представляющей собой напыленную щелочноземельным металлом подложку. Поглощающий слой насыщен нуклидами водорода (дейтерием, тритием или их смесью).

Образовавшиеся в ионном источнике дейтроны ускоряются к мишени, вызывая ядерную реакцию ³Н(d,n) ⁴He или ²H(d,n) ³Не с испусканием потока быстрых нейтронов с энергиями 14 МэВ или 2,5 МэВ соответственно. Поток измеряется методом активации медной фольги, который позволяет определить средний поток быстрых нейтронов за секунду.

Между тем нестабильность потока от импульса к импульсу очень высока (см. , например, Кирьянов Г.Н. и др. Сборник "Вопросы атомной науки и техники", сер. Радиационная техника, М., Энергоатомиздат, в. 1, 1983, с.44.), а для интерпретации ИНК желательно его знать.

Известные нейтронные трубки не содержат детектора, позволяющего контролировать нейтронный выход в импульсе, в то время как этот параметр значительно повысил бы информативность и точность методов ИНК.

Этот недостаток можно устранить путем создания отпаянной нейтронной трубки (НТ) со встроенным монитором нейтронного потока по сопутствующему альфа-излучению (одному вылетевшему нейтрону соответствует одна альфа-частица).

Известно применение в ускорителях с непрерывной откачкой газоразрядных, сцинтилляционных, полупроводниковых или активационных детекторов (см., например, Ковригин Б. C. , Пальшау И.О. Измерение флюенса первичных нейтронов детектором сопутствующих альфа-частиц во времяпролетной спектрометрии. Вопросы атомной науки и техники, серия Радиационная техника, в.1, 1990, М., Энергоатомиздат, с.60 и Бегляков Н.Н. и др. Исследование параметров монитора с высокочувствительным активационным детектором при помощи лазерной нейтронной трубки, ПТЭ, 3, с.27, М., 1984).

По ряду причин, таких как нетермостойкость, необходимость охлаждения, большая собственная емкость, большие габариты, большой темновой ток, относительно малое отношение сигнал/шум, особенно при повышенной температуре, они не пригодны для применения в отпаянных малогабаритных НТ, которые проходят высокотемпературную обработку перед отпайкой с откачного поста.

Известен алмазный детектор, созданный в ФИАНе, чувствительным элементом которого является тонкая пластина, вырезанная определенным образом из кристалла природного алмаза (см., например, Конорова К.А., Козлов С.Ф. "Алмазный детектор ядерных излучений", Физика и техника полупроводников, т. 4, 10, 1970, с. 1865 и а.с. СССР 224697, кл. G 21 G 4/02, 1968 г.). Алмазный детектор обладает малой собственной емкостью, практически отсутствием собственных шумов, малыми габаритами и термостойкостью до 600^oС.

Но и этот детектор альфа-излучения не лишен недостатков с точки зрения его применения в НТ: ~100% эффективность регистрации альфа-частиц была получена только на очень крупных кристаллах и очень чистых, лишенных примесей азота и бора, что крайне редко встречается в природе (выход годных кристаллов менее 20% при отбраковке более 80%), поэтому стоимость кристаллов высокая, не говоря уже о необходимости использования платиновых (Au) контактов. Кроме этого, все пластинки имеют, как правило, неправильную форму и отличаются по размерам, что затрудняет их монтаж в малогабаритных НТ.

Самым большим недостатком природного алмаза оказалось то, что при высоких температурах (>200^oС) шумы детектора резко возрастают.

К этому времени были получены искусственные алмазы и на их основе разработаны детекторы, чувствительным элементом (ЧЭ) которых является кристалл синтетического алмаза (СА) с размерами грани 0,4-0,8 мм. Они почти ни в чем не уступают природным (естественным) алмазам, но стоят намного дешевле.

Известно также об исследованиях по разработке детектора альфа-излучения на основе СА с р-типом проводимости для измерения доз радиации в биологических пробах в медицине (см., например, Synthetic diamonds as ionisation chamber radiation detectors in biological environments. Keddy R.J., Nam T.L. , Burns R.C. - Phys. Med. Biol. UK, v.32, N 6, p.751, 1987) на крупногабаритной установке с непрерывной откачкой.

По сравнению с детектором на основе естественного алмаза такой детектор эффективно регистрирует альфа-излучение в широком диапазоне энергий и достаточно стабилен во времени.

Прототипом изобретения является нейтронная трубка (см., например, Бессарабский Ю.Г., Боголюбов Е.П., Курдюмов И.Г. и др., "Управляемый скважинный излучатель нейтронов". Атомная энергия, т. 77, в. 3, 1994, с.226, и патент РФ 1590019, кл. G 21 G 4/02, 1993 г.), в вакуумно-герметичной оболочке которой размещены ионный источник, ионно-оптическая система, газопоглотитель и мишень, насыщенная нуклидами водорода. Недостатком такой НТ является отсутствие возможности регистрировать поток быстрых нейтронов в импульсе.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи мониторирования нейтронного потока, т. е. на создание такой НТ, в которой был бы возможен контроль нейтронного выхода в импульсе.

Указанная цель достигается тем, что в известную импульсную нейтронную трубку, содержащую вакуумно-герметичную оболочку, внутри которой расположены ионный источник, ионно-оптическая система, газопоглотитель и мишень, насыщенная нуклидами водорода, введен детектор альфа-частиц, размещенный внутри дополнительного электрода, установленного под углом к оси импульсной нейтронной трубки напротив мишени в непосредственной близости от нее, причем дополнительный электрод является одновременно экраном чувствительного элемента детектора, инжектирующий токопровод которого соединен с корпусом дополнительного электрода, а сигнальный токопровод изолирован относительно корпуса нейтронной трубки, при этом чувствительный элемент детектора альфа-частиц выполнен на основе кристалла синтетического алмаза, а детектор альфа-частиц может быть выполнен в виде n чувствительных элементов, соединенных параллельно.

У малогабаритных НТ потоки нейтронов невелики, поэтому чувствительный элемент (ЧЭ) детектора следует размещать в непосредственной близости от мишени, при этом он не должен преграждать путь ионам, ускоряемым к мишени, поэтому облучаемая поверхность ЧЭ расположена под утлом у края мишени.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена конструкция импульсной нейтронной трубки с заземленной мишенью, на фиг.2 - импульсная нейтронная трубка с высоковольтной мишенью, а на фиг.3 - импульсная нейтронная трубка с детектором альфа-частиц, выполненным в виде n чувствительных элементов, соединенных параллельно.

Импульсная нейтронная трубка (см. фиг.1-3) состоит из вакуумно-герметичной оболочки 1, например, металло-стеклянной, ускоряющего электрода 2, источника ионов 3, дополнительного электрода 4, являющегося экраном чувствительного элемента детектора 5, сигнального токопровода 6, инжектирующего токопровода 7, ионно-оптической системы, состоящей из ускоряющего электрода 2 и формирующего электрода 8, газопоглотителя 9 и мишени 10.

На фиг. 2 и 3 дополнительно обозначены высоковольтный вывод 11 мишени и изоляционное кольцо 12.

Часть оболочки 1, прилегающая к мишени 10, изготавливается из металла. В случае, если мишень 10 заземлена, проблем с подачей питания на детектор 5 альфа-частиц не возникает, т.к. дополнительный электрод 4, являющийся экраном чувствительного элемента детектора 5, и мишень 10 имеют один потенциал. В противном случае ускоряющее напряжение на мишень 10 следует подавать через высоковольтный вывод 11 мишени (см. фиг.2), а питание детектора осуществляется через сопротивление смещения (на чертеже не показано) и изолирующее кольцо 12.

Детектор 5 альфа-частиц (см. фиг.3) может состоять из более чем одного чувствительного элемента, включенных параллельно, что обеспечивает большую площадь облучаемых плоскостей кристаллов, а соответственно, и большую чувствительность.

Принцип действия предлагаемой НТ заключается в следующем. Извлеченные из источника ионов 3 дейтроны (или смесь дейтронов и тритонов) ускоряются импульсом напряжения до энергий, достаточных для протекания ядерных реакций на мишени 10, насыщенной тритием (или смесью дейтерия и трития), с испусканием импульсных потоков быстрых нейтронов, и сопутствующих им потоков альфа-частиц. Альфа-частицы попадают на чувствительный элемент детектора 5 и производят ионизацию, что приводит к образованию электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к детектору 5, электроны и дырки собираются на электродах чувствительного элемента (ЧЭ). Процесс сбора заряда обуславливает возникновение во внешней цепи ионизационного тока, величина которого пропорциональна мощности поглощенной дозы альфа-излучения. Ионизационный ток поступает на вход преобразователя ток - напряжение с предварительным усилением, а далее на вход усилителя. В случае НТ с заземленной мишенью источник питания детектора выполнен в виде отдельного модуля, а в остальных случаях часть напряжения с мишени через высоковольтный делитель подается на выводы детектора. Таким образом, детектор осуществляет преобразование мощности поглощенной дозы альфа-излучения в пропорциональный ей по величине электрический выходной сигнал (U).

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными решениями позволяет осуществлять мониторирование импульсной нейтронной трубки, что дает возможность контролировать выход нейтронов за импульс. Оно может быть использовано при создании импульсного скважинного генератора нейтронов, который позволит реализовать новые методики импульсного нейтронного каротажа, что в свою очередь приведет к повышению эффективности и информативности геофизических исследований методами ИНК. Оно может быть использовано также при создании аппаратуры для обнаружения наркотических и взрывчатых веществ.

Изобретение может быть использовано в низковольтной ускорительной технике, геофизическом приборостроении, в частности при разработке импульсных генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин методом импульсного нейтронного каротажа. Импульсная нейтронная трубка содержит вакуумно-герметичную оболочку, внутри которой расположены ионный источник, ионно-оптическая система, газопоглотитель и мишень, насыщенная нуклидами водорода. В импульсную нейтронную трубку введен детектор альфа-частиц, размещенный внутри дополнительного электрода, расположенного под углом к оси импульсной нейтронной трубки напротив мишени в непосредственной близости от нее. Дополнительный электрод является одновременно экраном чувствительного элемента детектора, инжектирующий токопровод которого соединен с корпусом дополнительного электрода, а сигнальный токопровод изолирован относительно корпуса нейтронной трубки. Изобретение позволяет контролировать выход нейтронов за импульс и может быть использовано при создании импульсного генератора нейтронов, а также при создании аппаратуры для обнаружения наркотических и взрывчатых веществ. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Импульсная нейтронная трубка, содержащая вакуумно-герметичную оболочку, внутри которой расположены: ионный источник, ионно-оптическая система, газопоглотитель и мишень, насыщенная нуклидами водорода, отличающаяся тем, что в нее введен детектор альфа-частиц, размещенный внутри дополнительного электрода, расположенного под углом к оси импульсной нейтронной трубки напротив мишени в непосредственной близости от нее, причем дополнительный электрод является одновременно экраном чувствительного элемента детектора, инжектирующий токопровод которого соединен с корпусом дополнительного электрода, а сигнальный токопровод изолирован относительно корпуса нейтронной трубки. 2. Импульсная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что чувствительный элемент детектора альфа-частиц выполнен на основе кристалла синтетического алмаза. 3. Импульсная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что детектор альфа-частиц может быть выполнен в виде n чувствительных элементов, соединенных параллельно.