ДЕТЕКТОР НЕЙТРОННОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01T3/08 G01T1/24 

Изобретение относится к области детектирования источников нейтронного и мягкого гамма-излучения, особо источников нейтронов на фоне гамма-излучения, и предназначено для дозиметрической и таможенной практики, для решения задач Госатомнадзора и служб ядерной безопасности, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля, для систем радиационного мониторинга территорий и акваторий, для обнаружения и идентификации делящихся материалов (ДМ-урана, плутония, кюрия, калифорния и изделий из них), для обнаружения и идентификации ряда радиоактивных веществ (РВ), обладающих мягким гамма-спектром.

Известные детекторы ядерных излучений содержат, как правило, блок датчиков с сенсорными элементами, блок электронной обработки сигналов [1-8]. В известных детекторах [1, 2] блок датчиков содержит сцинтилляционный кристалл (щелочно-галоидный кристалл или кристалл на оксидной основе), а в качестве сенсорного элемента блока датчиков - фотоэлектронный умножитель или фотодиод. Однако детекторы [1, 2] не пригодны для регистрации нейтронов, поскольку они не содержат элементы, чувствительные к нейтронам.

Известен сцинтилляционный детектор гамма- и нейтронного излучения [3], содержащий блок датчиков, включающий сцинтилляционный кристалл, например Lu₂SiO₅-Ce или стильбен, сместитель спектра (в виде тонкой сцинтиллирующей пленки или кристалла) и кремниевый PIN-фотодиод в качестве сенсорного элемента датчика, а также блок электронной обработки сигналов. Однако такой детектор не предназначен для одновременной эффективной регистрации нейтронного и гамма-излучения. Если в качестве сцинтилляционного в блоке датчика используют кристалл Lu₂SiO₅-Ce, то последний будет регистрировать только гамма-кванты и не будет регистрировать нейтроны. Если в датчике в качестве сцинтилляционного используют кристалл стильбена, то последний будет регистрировать в основном нейтроны. Однако такой детектор [3] не является всеволновым детектором нейтронов, поскольку он не пригоден для регистрации медленных и тепловых нейтронов, он способен регистрировать только быстрые нейтроны по протонам отдачи.

Известен детектор нейтронов [4], содержащий блок из двух датчиков, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, в то время как второй чувствителен только к заряженным частицам; число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом этих датчиков. Однако такой детектор не является всеволновым нейтронным детектором. Возможность применения такого детектора для регистрации и спектрометрии гамма-излучения в патенте [4] не оговорена.

Известный детектор нескольких излучений [5] имеет блок датчиков, включающий два сцинтилляционных кристалла, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой - к низкоэнергетическому, и два сенсорных элемента - фотодиода, выделяющих нужные сигналы с помощью светофильтра и регистрирующих их с помощью блока электронной обработки сигналов. Однако известный детектор [5] пригоден только для регистрации рентгеновского излучения, он не пригоден для регистрации нейтронов.

Известен детектор нейтронов и гамма-лучей [6], содержащий сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-излучению, и блок электронной обработки сигналов, включающий в себя схему селекции для разделения сигналов от нейтронов и гамма-излучения. Однако известный детектор [6] не является всеволновым детектором нейтронов, он не пригоден для спектрометрии мягкого гамма-излучения.

Известен детектор быстрых нейтронов и гамма-излучения [7], содержащий блок датчиков и блок электронной обработки сигналов. Блок датчиков детектора [7] выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂ (регистрирующего гамма-излучение) и световода, выполненного из стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя в качестве сенсорного элемента. Однако известный детектор [7] не является всеволновым детектором нейтронов, поскольку он чувствителен только к быстрым нейтронам, он не пригоден для регистрации тепловых и медленных нейтронов. Из-за плохого энергетического разрешения кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ (15-20%) детектор [7] не пригоден для надежной спектрометрии мягкого гамма-излучения. Кроме того, из-за использования фотоэлектронного умножителя в качестве фотоприемника датчик детектора [7] имеет большие габариты, то есть не является компактным.

Известен сцинтилляционный (n,γ)-детектор [8], блок датчика которого содержит сцинтиллятор NaI-Tl, окруженный чехлом из серебра. Серебро эффективно поглощает нейтроны резонансных энергий, в результате чего имеет место реакция (n,γ). Продуктом этой реакции являются γ-кванты, которые регистрируются сцинтилляционным кристаллом NaI-Tl и сенсорным элементом - фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Однако такой детектор обладает большими габаритами и весом из-за больших размеров сенсорного элемента ФЭУ, кроме того, он не может регистрировать быстрые и тепловые нейтроны, поскольку (n,γ)-резонансные реакции имеют высокое сечение только для медленных и промежуточных нейтронов. Кроме того, стоимость детектора [8] оказывается высокой из-за высокой стоимости серебра.

Наиболее близким к заявляемому является детектор нейтронного и гамма-излучения [9]. Известный детектор [9] содержит датчик, включающий размещенные в едином корпусе внешний нейтронный сцинтиллятор, выполненный из чувствительного к быстрым нейтронам водородсодержащего вещества на основе пластмассы (СН)_n или стильбена, внутренний чувствительный к гамма-излучению сцинтиллятор NaI-Tl, размещенный в колодце внешнего сцинтиллятора, фотоэлектронный умножитель в качестве сенсорного элемента и блок электронной обработки сигналов, включающий схему временной селекции и спектрометрический анализатор сцинтиимпульсов, и радиаторы-конверторы, выполненные в виде чехлов, изготовленных из борсодержащего материала на основе нитрида или карбида бора, обеспечивающих реакцию (n,α,γ), причем первый радиатор-конвертор охватывает внешний органический сцинтиллятор, а второй радиатор-конвертор охватывает контейнер внутреннего сцинтиллятора NaI-Tl и расположен в колодце внешнего сцинтиллятора. Толщину радиаторов-конверторов выбирают достаточной для полного поглощения тепловых нейтронов.

Известный детектор [9], наряду в регистрацией нейтронов, обеспечивает регистрацию гамма-излучения в спектрометрическом режиме с энергетическим разрешением 6-8%. Однако энергетическое разрешение блока датчиков известного детектора [9] оказывается низким в сравнении с таковым для ППД-спектрометров, для которых величина разрешения составляет доли процента. Кроме того, датчик детектора [9] обладает большими габаритами и весом, что обусловлено большими размерами как самих сцинтилляционных кристаллов, так и фотоприемника, в качестве которого используют фотоэлектронный умножитель.

Предлагаемое устройство обладает на порядок меньшими габаритами и весом, не уступает ближайшему аналогу по эффективности регистрации тепловых нейтронов по (n,α,γ)-реакции, является всеволновым детектором нейтронов, поскольку регистрирует не только быстрые и тепловые нейтроны, но и нейтроны промежуточных энергий, и, кроме этого, данное устройство обладает на порядок более высоким энергетическим разрешением при регистрации гамма-излучения в диапазоне энергий до 1,5 МэВ.

Блок-схема заявляемого устройства приведена на чертеже. Заявляемое устройство содержит три датчика 1, 2 и 3 для регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов соответственно. Датчики размещены в едином корпусе 4. Сенсорными элементами датчиков служат PIN-сенсорные элементы 5, 6 и 7. PIN-сенсорные элементы помещены в радиаторы-конверторы 8, 9 и 10, которые выполнены в виде чехлов из борсодержащего материала на основе карбида или нитрида бора. Датчики 1 и 2, предназначенные для регистрации быстрых и промежуточных нейтронов, содержат замедлители 11 и 12 в виде слоев водородсодержащего материала. Датчик 3 предназначен для регистрации тепловых нейтронов, поэтому он не имеет замедлителя. Устройство содержит также блок электронной обработки сигналов 13, который состоит из спектрометрического анализатора для выделения гамма-импульсов (n,α,γ)-реакции и для спектрометрии регистрируемого гамма-излучения.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство является всеволновым детектором нейтронов благодаря наличию трех датчиков, один из который регистрирует быстрые, второй промежуточные и третий тепловые нейтроны. В качестве радиатора-конвертора нейтронов используют карбид или нитрид бора в виде чехлов с толщиной, достаточной для полного поглощения тепловых нейтронов.

Тепловые нейтроны от обнаруживаемого источника ДМ регистрируются с помощью радиатора-конвертора нейтронов, выполненного в виде чехла 10 из борсодержащего материала и PIN-сенсорного элемента 7. В радиаторе-конверторе протекает (n,α,γ)-реакция, PIN-сенсорный элемент регистрирует гамма-излучение этой реакции с энергией 0,48 МэВ. Быстрые и промежуточные нейтроны от источника ДМ вначале замедляются до тепловых энергий замедлителями 11 и 12, а затем регистрируются как тепловые с помощью радиаторов-конверторов 8 и 9 и PIN-сенсорных элементов, регистрирующих гамма-излучение, возникающее вследствие (n,α,γ)-реакции (0,48 МэВ, монолиния). Гамма-излучение источников ДМ, а это излучение широкого спектра, регистрируется с помощью трех PIN-сенсорных элементов. Диапазон регистрируемого гамма-излучения определяется спектральной чувствительностью PIN-сенсорных элементов (диапазон от нескольких килоэлектрон-вольт до полутора мегаэлектрон-вольт).

Устройство работает в полях нейтронного и гамма-излучения с помощью блока датчиков, одновременно регистрирующих быстрые, промежуточные и тепловые нейтроны, а также регистрирующих гамма-излучение следующим образом. Вначале быстрые и промежуточные нейтроны замедляются в блоке датчиков с помощью замедлителей из водородосодержащего материала - замедлителей 11 и 12 счетчиков 1 и 2 (см. чертеж) до тепловых энергий. Затем они поступают в преобразователь нейтронного излучения - в нейтронные радиаторы-конверторы 8 и 9. Тепловые нейтроны первичного спектра, включая фоновые тепловые нейтроны, поступают непосредственно в нейтронный радиатор-конвертор 10.

Радиаторы-конверторы 8, 9 и 10 детектора выполнены в виде чехлов (с толщиной, достаточной для полного поглощения тепловых нейтронов ядрами ), изготовленных из карбида или нитрида бора, - соединений, имеющих в своем составе ядра бора в виде естественной смеси изотопов (всегда содержащей значительный процент изотопа ¹⁰В) или в виде изотопа . В первом случае эффективность захвата тепловых нейтронов (сечение захвата σ) составляет σ=767 барн, а во втором σ=3837 барн [10].

Захват тепловых нейтронов ядрами бора вызывает ядерную реакцию (n,α,γ)-типа, которая идет в две стадии

а затем через ~10^-13 с

с испусканием γ-кванта с энергией 0,48 МэВ.

На первой стадии (1) вследствие реакции (n,α) образуются ядра ⁷Li и альфа-частица (последняя просто поглощается в чехле 7). Часть ядер образуется в возбужденном состоянии [11]. Они и обеспечивают протекание второй стадии реакции (2), которая состоит в том, что возбужденное ядро ⁷Li переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта с энергией ~0,48 МэВ [11]. Эти же гамма-кванты (n,α,γ)-реакции регистрируются входящими в блок датчиков 1, 2, 3 PIN-сенсорными элементами 5, 6 и 7, сигналы с которых обрабатываются с помощью блока электронной обработки 13 (см. чертеж). Спектрометрический анализатор импульсов этого блока 13 легко выделяет все сигналы, связанные с 0,48 МэВ-ными гамма-квантами на фоне любого сопутствующего спектра гамма-излучения, и тем самым определяет число зарегистрированных нейтронов. Анализатор обеспечивает подсчет общего числа нейтронов, зарегистрированных как всеми тремя PIN-сенсорными элементами, так и каждым в отдельности, определяя тем самым число быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов первичного спектра. Таким образом, предлагаемый детектор обеспечивает режим счета нейтронов и их спектрометрическое разделение по трем группам: на быстрые, промежуточные и тепловые нейтроны.

Для обеспечения более полной регистрации всех нейтронов быстрой и промежуточной группы (имеющих сложный спектр [11]) форму замедлителей нейтронов 11 и 12 и форму радиаторов-конверторов 8 и 9, сочетанных с ними, делают с переменным сечением (см. чертеж).

Регистрация гамма-излучения, характерного для ДМ, осуществляется следующим образом. Первичные гамма-кванты от источников ДМ или радиоактивных веществ (в отличие от вторичных гамма-квантов (n,α,γ)-реакции) легко проникают через тонкие стенки корпуса детектора, через замедлители и радиаторы-конверторы каждого из датчиков 1, 2 и 3 и регистрируются непосредственно с помощью полупроводниковых PIN-сенсорных элементов 5, 6 и 7. Сигналы с PIN-сенсорных элементов поступают на блок электронной обработки сигналов. Спектрометрический тракт этого блока обеспечивает анализ спектров гамма-излучения источников радиоактивных веществ в диапазоне энергий до 1,5 МэВ.

Дополнительными преимуществами предлагаемого изобретения являются:

- малые габариты и вес;

- дешевизна преобразователя нейтронов, дешевизна радиатора-конвертора, выполненного из нитрида или карбида бора;

- возможность простой модернизации детектора как путем наращивания числа датчиков в отдельном “блоке датчиков”, так и путем увеличения числа блоков датчиков: вместо одного блока датчиков можно использовать несколько (до 3-5 и более блоков);

- обеспечение первичной спектрометрии нейтронов, выделение быстрой, промежуточной и тепловой компоненты нейтронного спектра;

- обеспечение обнаружения источников РВ и их идентификации благодаря спектрометрическим возможностям блока электронной обработки сигналов;

- повышенная стойкость к ударным нагрузкам.

Источники информации

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

2. Прибор для измерения нейтронов и гамма-лучей. Патент США №4483808, G 01 T 3/06, 1984.

3. Патент РФ №2142147 от 24.09.1997, G 01 T 1/20.

4. Селективный детектор нейтронов. Патент США №3688118, G 01 T 1/00, 1/20, 1972.

5. Детектор нескольких излучений. Заявка ЕВП (ЕР) №0311603, G 01 T 1/00, 1/20, 1989.

6. Прибор для измерения нейтронов и гамма-лучей. Патент США №4482808, G 01 T 3/06, 1984.

7. Детектор для регистрации ионизирующих излучений. Патент РФ №2088952. Опубл. от 27.08.97, бюл. №24.

8. Прайс В. Регистрация ядерного излучения. ИИЛ. М., 1960, 464 с.

9. Решение о выдаче патента РФ на изобретение "Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения", №2000128441 от 13.11.2000, кл. G 01 T 1/20, 3/00.

10. Машкович В.П., Кудрявцева Л.В. Защита от ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1995, 494 с.

11. Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement. John Wiley and Sons N-Y. 1994, p.483.

Использование: для дозиметрической и таможенной практики, для решения задач Госатомнадзора и служб ядерной безопасности, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля и радиационного мониторинга территорий и акваторий, для обнаружения и идентификации делящихся материалов. Сущность: детектор содержит три датчика, которые служат для регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также для регистрации гамма-излучения. Датчики размещены в едином корпусе. В качестве датчиков используются PIN-сенсорные элементы, которые помещены в чехлы из борсодержащего радиатора-конвертора нейтронов, изготовленные из карбида или нитрида бора. Первый и второй датчики содержат замедлители в виде слоев водородсодержащего материала, причем форма вышеупомянутых замедлителей и форма вышеупомянутых радиаторов-конверторов имеет переменное сечение. Технический результат: повышение точности регистрации гамма-излучения, расширение диапазона измерений. 1 ил.

Детектор нейтронного и гамма-излучения, содержащий размещенный в корпусе датчик, включающий замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, радиатор-конвертор нейтронов в виде чехла из карбида или нитрида бора с толщиной, достаточной для полного поглощения тепловых нейтронов, сенсорный элемент и блок электронной обработки сигналов, включающий спектрометрический анализатор импульсов, отличающийся тем, что детектор дополнительно снабжен вторым и третьим датчиками, размещенными в том же корпусе, что и первый датчик, причем первый датчик оборудован замедлителем с толщиной, необходимой для замедления быстрых нейтронов сложного спектра до тепловых энергий, и радиатором-конвертором, второй датчик имеет замедлитель с толщиной, необходимой для замедления промежуточных нейтронов сложного спектра до тепловых энергий, и радиатором-конвертором, причем форму вышеупомянутых замедлителей и форму вышеупомянутых радиаторов-конверторов делают с переменным сечением, третий датчик содержит только радиатор-конвертор без замедлителя, а сенсорные элементы датчиков выполнены в виде PIN-сенсорных элементов, размещенных под радиаторами-конверторами нейтронов.