УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И СПЕКТРОМЕТРИИ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2004 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области технической физики (физики регистрации излучений) и может быть использовано для определения энергетического распределения направленного нейтронного излучения в диапазоне энергий нейтронов от тепловых до быстрых (десятки и сотни МэВ).

Известен многошаровой спектрометр, или так называемый спектрометр Боннера [1, 2] , применяемый для целей спектрометрии и дозиметрии нейтронов в широком диапазоне энергий (от тепловых до сотен МэВ) и представляющий собой систему из нескольких шаровых замедлителей нейтронов, в центре которых помещен датчик тепловых нейтронов. Принцип спектрометрии нейтронов с помощью системы шаровых детекторов основан на зависимости длины замедления нейтронов L от их энергии, в связи с чем нейтроны разных энергией с различной эффективностью регистрируются шаровыми детекторами разного диаметра, причем нейтрон с энергией Е наиболее эффективно регистрируется в шаровом детекторе с радиусом R=L(E). Для определения спектральной плотности потока нейтронов ϕ(E) с помощью спектрометра, состоящего из М шаровых детекторов, необходимо найти решение системы уравнений:

где Nm - число импульсов, зарегистрированное m-ым детектором, Sm(E) - функция отклика детектора в зависимости от энергии падающего излучения. Многошаровой спектрометр обладает рядом достоинств, к которым относится простота конструкции. Его недостатками являются значительный вес и габариты (т. к. в одном устройстве фактически объединены несколько независимых детекторов нейтронов) при низкой чувствительности (поскольку каждый из шаровых детекторов содержит только один датчик тепловых нейтронов с чувствительностью порядка 1...10 имп•см²/нейтрон). К особенностям, ограничивающим область применения многошарового спектрометра, можно отнести также отсутствие направленности данного детектирующего устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является детектор нейтронов, описанный в патенте [3]. Детектор предназначен для определения энергетического распределения направленных потоков нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до 20 МэВ. Устройство содержит мишень, состоящую из замедляющих нейтроны плоских слоев, чередующихся с поглощающими слоями датчиков тепловых и медленных нейтронов, в качестве которых использованы гелиевые газоразрядные счетчики нейтронов, расположенные равномерно в каждом слое. Каждый слой счетчиков подключен к соответствующему счетчику электрических импульсов. Принцип действия устройства аналогичен работе многошарового спектрометра. Достоинством данного устройства по сравнению с многошаровым спектрометром является более высокая чувствительность при меньших габаритах, поскольку в каждом детектирующем слое может содержаться несколько датчиков тепловых нейтронов, а также, поскольку для замедления нейтронов, детектируемых каждым из слоев, используется суммарная толщина всех предыдущих слоев замедлителя.

К недостаткам устройства следует отнести высокую ошибку измерения спектра (характеризуемую отношением N_mф/N_m, где N_mф - число нейтронов, не принадлежащих к m-ой энергетической группе, но зарегистрированых счетчиками m-го слоя) за счет проникновения рассеянных нейтронов и нейтронов естественного фона через боковую поверхность детектора. Данная ошибка практически неизбежна в условиях реального физического эксперимента и тем больше, чем больше регистрируемое нейтронное излучение отличается от мононаправленного. Кроме того, реальная чувствительность данного устройства также не достаточно высока из-за экранировки потока медленных нейтронов нейтронными счетчиками предыдущих слоев, а габариты и, следовательно, общий вес устройства излишне велики из-за нерациональной конструкции замедляющих и регистрирующих слоев.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение чувствительности устройства при уменьшении его габаритов и массы, а также общее улучшение спектрометрических характеристик устройства (уменьшение отношения N_mф/N_m) и создание направленности устройства, т.е. обеспечение более высокой чувствительности при регистрации излучения выделенного направления.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом детектирующем устройстве, содержащем замедлитель нейтронов, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения нейтронного излучения, группы датчиков тепловых и медленных нейтронов и счетчики электрических импульсов от каждой группы датчиков, замедлитель нейтронов выполнен в виде единого блока, каждая группа датчиков нейтронов расположена внутри блока замедлителя нейтронов на расстоянии от фронтальной поверхности, равном средней длине замедления нейтронов данной регистрируемой энергетической группы, датчики нейтронов размещены в плоскости каждой группы на расстоянии друг от друга порядка или менее длины релаксации медленных нейтронов в материале замедлителя, датчики каждой группы относительно датчиков соседних групп расположены таким образом, что перекрытие геометрических проекций датчиков соседних групп на плоскость, перпендикулярную направлению излучения, минимально, детектирующее устройство со всех сторон, кроме фронтальной, окружено слоем замедляющего и поглощающего нейтроны материала, толщина которого в направлении падения фонового и рассеянного излучения сравнима или превышает длину релаксации нейтронов в данном материале.

На фиг. 1 приведена схема построения предлагаемого устройства, где 1 - блок замедлителя нейтронов, 2 - датчики тепловых и медленных нейтронов, 3 - слой материала нейтронной защиты, n - нейтронное излучение.

Устройство для детектирования и спектрометрии нейтронов содержит блок из замедлителя нейтронов (водородосодержащего материала) 1, продольная ось которого ориентирована вдоль направления распространения нейтронного излучения. В плоскостях, перпендикулярных продольной оси замедлителя, на разных расстояниях от фронтальной поверхности блока замедлителя 1 располагаются группы датчиков 2 тепловых и медленных нейтронов. В качестве нейтронных датчиков 2 могут быть использованы гелиевые или борные газоразрядные счетчики нейтронов, обладающие низкой чувствительностью к гамма-излучению, образующемуся при замедлении и захвате нейтронов. Количество групп нейтронных датчиков, количество датчиков в группах, расстояние между плоскостями, в которых расположены группы датчиков, выбираются исходя из требуемого энергетического диапазона и спектральной чувствительности детектирующего устройства. Электрические импульсы нейтронных датчиков, расположенных в каждой из групп, суммируются и формируют выходной счетный канал детектирующего устройства. Полное число выходных каналов устройства равно числу групп датчиков. Размещение датчиков в каждой из плоскостей должно обеспечивать минимальную экранировку нейтронного излучения для последующих групп датчиков. Снаружи со всех сторон, кроме фронтальной, воспринимающей нейтронное излучение, детектирующее устройство окружено слоем защитного материала 3, замедляющего и поглощающего нейтроны.

Устройство работает следующим образом. Регистрируемые нейтроны с энергией Е, распространяющиеся в направлении О-Х, падают на фронтальную (регистрирующую) поверхность блока замедлителя 1 и замедляются до энергии, близкой к тепловой, при прохождении слоя замедлителя толщиной Х=L(E). Счетчики тепловых нейтронов 2 пространственно разделены на группы по числу выделяемых энергетических групп регистрируемых нейтронов, причем расстояние Xj от поверхности детектора до плоскости размещения j-ой группы счетчиков тепловых нейтронов равно длине замедления нейтронов j-ой энергетической группы со средней энергией Ej, что позволяет избирательно регистрировать нейтроны данной энергетической группы. Электрические импульсы нейтронных датчиков каждой из групп суммируются счетчиками импульсов, а полученные результаты счета в каналах устройства позволяют восстановить спектральную плотность потока нейтронов путем решения системы уравнений (1).

В отличие от конструкции прототипа в предлагаемом детектирующем устройстве отсутствует разделение на замедляющие и поглощающие слои, датчики нейтронов располагаются непосредственно в блоке замедлителя, что приводит к уменьшению габаритов и массы детектора до 1,5 раз по сравнению с прототипом. На фиг.1 в качестве примера приведен вариант размещения цилиндрических нейтронных счетчиков 2 в монолитном прямоугольном блоке замедлителя нейтронов 1.

В отличие от равномерного расположения нейтронных датчиков в слоях прототипа размещение датчиков каждого детектирующего слоя в предлагаемом устройстве обеспечивает минимальную экранировку нейтронного излучения для последующих слоев. Датчики нейтронов размещены в плоскости каждой группы на расстоянии друг от друга порядка или менее длины релаксации медленных нейтронов в материале замедлителя (1...5 см для полиэтилена), что увеличивает эффективность использования нейтронных датчиков до 1,5 раз [4], а датчики каждой группы относительно датчиков соседних групп размещены таким образом, что перекрытие геометрических проекций датчиков соседних групп в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, минимально, что также повышает чувствительность устройства. Таким образом, реальное увеличение чувствительности предлагаемого детектора по сравнению с прототипом может достигать 1,5... 2 раз при одинаковом количестве нейтронных датчиков.

В предлагаемом устройстве снаружи со всех сторон, кроме фронтальной, воспринимающей нейтронное излучение, детектирующее устройство окружено слоем замедлителя нейтронов 3, включающего нейтронопоглощающие добавки, например бор. Толщина слоя в направлении падения фонового и рассеянного излучения сравнима или превышает длину релаксации нейтронов в данном материале (для борированного полиэтилена - около 6 см [5]). Это препятствует регистрации детектором нейтронов внешнего фонового излучения и регистрации рассеянных нейтронов, проникающих в детектор через боковую поверхность, что повышает отношение "сигнал/фон" на счетном выходе устройства, улучшает спектрометрические характеристики устройства и создает направленность, т.е. обеспечивает преимущественную регистрацию излучения выделенного направления.

Таким образом, в заявленном устройстве для детектирования и спектрометрии нейтронов по сравнению с прототипом обеспечивается повышение чувствительности устройства до 1,5. ..2 раз при уменьшении его габаритов и массы, а также общее улучшение спектрометрических характеристик устройства (уменьшение отношения N_mф/N_m) и создание направленности устройства, т.е. обеспечение более высокой чувствительности при регистрации излучения выделенного направления.

ЛИТЕРАТУРА
1. Bramblett R. L. , Ewing R.E., Bonner T.W. Nucl. Instr. and Methods. 1960, V. 9, p. 1-12.

2. Крючков В. П., Семенова Г.И. Функции чувствительности многошарового спектрометра нейтронов. ИФВЭ 87-191. Серпухов, 1987.

3. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2102775 С1, кл. G 01 Т 3/00.

4. Воронков А.А., Казаринов Н.М., Коренков А.Г. и др. Развитие поисковых систем и систем идентификации ядерных материалов. В сб. Труды Российской международной конференции по учету, контролю и физической защите ядерных материалов. Том 2, стр. 426-432. Обнинск, 9-14 марта 1997.

5. Киммель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Изд. 2. М., Атомиздат, 1972.

Использование: для определения энергетического распределения направленного нейтронного излучения в диапазоне энергий нейтронов от тепловых до быстрых. Устройство содержит единый блок из замедлителя нейтронов, группы датчиков тепловых и медленных нейтронов и счетчики электрических импульсов от каждой группы датчиков. Каждая группа датчиков расположена внутри блока замедлителя на расстоянии от фронтальной поверхности, равном средней длине замедления нейтронов данной регистрируемой энергетической группы. Датчики нейтронов размещены в плоскости каждой группы на расстоянии друг от друга порядка или менее длины релаксации медленных нейтронов в материале замедлителя. Датчики каждой группы относительно датчиков соседних групп расположены так, что перекрытие геометрических проекций датчиков соседних групп на плоскость, перпендикулярную направлению излучения, минимально. Детектирующее устройство со всех сторон, кроме фронтальной, окружено слоем замедляющего и поглощающего нейтроны материала. Технический результат - повышение чувствительности устройства и общее улучшение спектрометрических характеристик устройства. 1 ил.

Устройство для детектирования и спектрометрии нейтронов, содержащее замедлитель нейтронов, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения нейтронного излучения, группы датчиков тепловых и медленных нейтронов и счетчики электрических импульсов от каждой группы датчиков, отличающееся тем, что замедлитель нейтронов выполнен в виде единого блока, каждая группа датчиков нейтронов расположена внутри блока замедлителя нейтронов на расстоянии от фронтальной поверхности, равном средней длине замедления нейтронов данной регистрируемой энергетической группы, датчики нейтронов размещены в плоскости каждой группы на расстоянии друг от друга порядка или менее длины релаксации медленных нейтронов в материале замедлителя, датчики каждой группы относительно датчиков соседних групп расположены таким образом, что перекрытие геометрических проекций датчиков соседних групп на плоскость, перпендикулярную направлению излучения, минимально, детектирующее устройство со всех сторон, кроме фронтальной, окружено слоем замедляющего и поглощающего нейтроны материала, толщина которого в направлении падения фонового и рассеянного излучения сравнима или превышает длину релаксации нейтронов в данном материале.