УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01J47/02 G01T1/185 

Изобретение относится к детектирующим элементам, а именно к устройствам, в которых происходит регистрация гамма-квантов с высоким энергетическим разрешением и потоков нейтронов одновременно, за счет взаимодействия гамма-излучения и нейтронов с рабочим веществом детектора, и может быть использовано для оперативного обнаружения и идентификации гамма-нейтронного излучения от различных объектов, применяемых в ядерно-физических исследованиях и атомной энергетике, для технологического контроля при переработке ядерного топлива, для реакторной диагностики, для исследования нефте-газовых скважин, а также для контроля за перемещением гамма-нейтронных источников на таможне и т.д.

Известен сцинтилляционный гамма-детектор на основе NaI для регистрации гамма-излучения, основу которого составляет кристалл и фотоэлектронный умножитель [1]. В нем фотоэлектронный умножитель преобразует световые вспышки, образовавшиеся в сцинтилляторе при поглощении гамма-кванта, в электрический импульс.

Известен детектор, позволяющий регистрировать нейтроны, основу которого составляет ионизационная камера, заполненная газом ³He [2]. Регистрация нейтронов в этом детекторе осуществляется на основе ядерной реакции:

Однако в сцинтилляционном детекторе такие параметры, как конверсионная эффективность, световыход, время высвечивания не обеспечивают высокого энергетического разрешения при регистрации гамма-квантов. Также этот детектор не обеспечивает регистрации потоков нейтронов, а ионизационные камеры на основе газа ³He в свою очередь не обладают способностью регистрировать гамма-излучение.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым в качестве прототипа, является устройство для регистрации гамма-излучения [3], представляющее собой цилиндрическую импульсную ионизационную камеру, состоящую из внутреннего (анод) и внешнего (катод) электродов, источника высоковольтного питания и зарядочувствительного усилителя. В качестве рабочего вещества в этой камере используется сверхчистый ксенон. Принцип работы этой камеры заключается в следующем: при измерениях на электроды подается напряжение и если в объеме между электродами камеры гамма-квант провзаимодействует с рабочим веществом детектора, то возникает электронно-ионное облако, которое под действием электрического поля движется к электродам: положительные ионы к катоду, а электроны к аноду. В результате этого на выходе этой камеры появляется импульс напряжения, пропорциональный энергии гамма-кванта. Напряженность поля в такой камере зависит от расстояния до центра камеры и определяется следующим выражением:

где: U_k - напряжение, приложенное к камере;

r - расстояние от оси камеры, на котором определяется напряженность электрического поля;

r_k - радиус внешнего электрода камеры (катода);

r_a - радиус внутреннего электрода камеры (анода).

Однако этот детектор не позволяет регистрировать гамма-излучение с высоким энергетическим разрешением, т.к. в данном устройстве отсутствует экранирующая сетка, устраняющая индукционный эффект, и присутствует "паразитный" объем, занятый толстостенным керамическим цилиндром, играющим роль поглотителя и рассеивателя и тем самым ухудшающим энергетическое разрешение детектора. С другой стороны, скорость дрейфа электронов в чистом ксеноне, определяющая быстродействие детектора, не превышает величины порядка 1.3·10⁵ см/с даже в сильных электрических полях, что также ухудшает энергетическое разрешение этого детектора. Также этот детектор нечувствителен к нейтронам.

Технический результат, направленный на создание устройства для регистрации гамма-излучения с высоким энергетическим разрешением и потоков нейтронов одновременно, включающего импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания и зарядочувствительный усилитель, достигается за счет следующих нововведений: в качестве катода использован несущий корпус самого детектора с внешним изоляционным покрытием. В результате этого в данном детекторе отсутствует "паразитный" объем, что значительно улучшает энергетическое разрешение самого детектора, а изоляционное покрытие, включающее металлическую фольгу, экранирует всю ионизационную камеру от внешних электромагнитных наводок. В качестве рабочего вещества детектора был использован ксенон при давлении 40-50 атм, предварительно очищенный от электроотрицательных примесей, с чистотой, соответствующей времени жизни электронов до их захвата порядка 2 мс. При времени жизни электронов менее 2 мс происходит ухудшение энергетического разрешения вследствие поглощения свободных электронов электроотрицательными примесями. Плотность ксенона составляет 0,3-0,6 г/см³. В случае дальнейшего увеличения давления повышается плотность рабочего вещества, что также ведет к ухудшению энергетического разрешения детектора вследствие увеличения влияния рекомбинационных процессов. При уменьшении же давления ксенона и, соответственно, плотности рабочего вещества ухудшается эффективность регистрации гамма-квантов. Также для увеличения скорости дрейфа электронов, которая определяет быстродействие и энергетическое разрешение детекторов, добавлен водород в количестве 0,2-0,3% от общего содержания ксенона. При добавлении такого содержания количества водорода скорость дрейфа составляет порядка 5·10⁵ см/с. Дальнейшее же увеличение процентного содержания водородной ускоряющей добавки приводит к ухудшению энергетического разрешения. При уменьшении добавки водорода скорость дрейфа значительно уменьшается, что также не обеспечивает высокого энергетического разрешения. Для снижения индукционного эффекта использована экранирующая сетка, отделяющая рабочую область камеры, где происходит образование ионов и электронов, от области, где движение электронов индуцирует ток на аноде. Экранирующая сетка изготовлена из металлической фольги и имеет степень неэффективности экранирования σ˜3-5%, что крайне важно для сохранения амплитуды сигнала, пропорционального энергии регистрируемых гамма-квантов. Степень неэффективности была рассчитана по следующей формуле:

(3)

где

δ - диаметр проволок сетки;

ξ - шаг сетки;

r_c - радиус катода;

r_a - радиус анода.

На чертеже изображена общая схема устройства, предназначенного для регистрации гамма-нейтронного излучения, состоящего из цилиндрической импульсной ионизационной камеры с экранирующей сеткой, источника высоковольтного питания и зарядочувствительного усилителя.

Устройство представляет собой импульсную цилиндрическую ионизационную камеру, полезный объем которой заполняется ксеноном с ускоряющей добавкой водорода - 1, в качестве катода используется стальной корпус детектора - 2, анод - 3, центральная земляная нить - 4, металлическая экранирующая сетка - 5, внешнее изоляционное покрытие - 6, металлокерамический гермоввод на фланце ионизационной камеры - 7, газовый вентиль - 8, источник высоковольтного питания - 9, зарядочувствительный усилитель - 10.

Гамма-нейтронный детектор работает следующим образом. На катод - 2 и экранирующую сетку - 5 с помощью источника высоковольтного питания - 9 подается высокое напряжение 22 кВ и 12 кВ соответственно, вследствие чего в детекторе возникает электрическое поле.

При взаимодействии гамма-кванта с рабочим веществом детектора, представляющим собой сверхчистый ксенон - 1 с плотностью 0,3-0,6 г/см³ и с примесью водорода в количестве 0,2-0,3 % от общего содержания ксенона, возникают электроны и ионы, которые могут быстро рекомбинировать, поэтому необходимо создать электрическое поле, чтобы растащить их к разноименным электродам.

Регистрация тепловых нейтронов осуществляется вследствие ядерной реакции:

В процессе взаимодействия тепловых нейтронов с рабочим веществом детектора образуется изотоп ксенона (¹³²Хе) и при переходе из возбужденного состояния в основное испускается гамма-квант с энергией Е=668 кэВ. Время жизни этого изотопа составляет T_1/2=4,9·10^-12 с.

Прибор работает в режиме электронного собирания, существенным недостатком которого является индукционный эффект. Для уменьшения индукционного эффекта в детекторе используется экранирующая сетка. Образованные в рабочем объеме катод-сетка электроны дрейфуют в направлении собирающего электрода. Но пока дрейф происходит в области катод-сетка, возникает лишь сеточный ток, поскольку анод экранирован сеткой. Движение электронов в объеме сетка-анод индуцирует ток на аноде. Таким образом, независимо от места ионизации в рабочем объеме катод-сетка все электроны индуцируют ток на собирающем электроде только в течение времени движения через объем сетка-анод. Заряд, собранный с анода, преобразуется с помощью зарядочувствительного усилителя - 10 в импульс напряжения, который в свою очередь усиливается и формируется.

Для измерения гамма-спектров используется одноплатный анализатор импульсов, установленный внутри персонального компьютера, который осуществляет визуальный набор спектра, обработку и хранение, измеренных гамма-спектров на ПЭВМ.

Данное изобретение может быть использовано для оперативного обнаружения и идентификации гамма-нейтронного излучения от различных объектов, применяемых в ядерно-физических исследованиях и атомной энергетике, для технологического контроля при переработке ядерного топлива, для реакторной диагностики, для исследования нефтегазовых скважин, а также для контроля за перемещением гамма-нейтронных источников на таможне и т.д.

Источники литературы:

1. Абрамов А.И. Основы ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1983, 256 с.

2. Glenn F. KNOLL, Radiation Detection and Measurement, Second Edition, 1990.

3. G.L.Troyer, B.D.Keele, G.C.Tepper. // Pulse rise-time characterization of a high pressure xenon gamma detector for use in resolution enhancement. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol.248, No.2 (2001), 267-271.

Использование: для ядерно-физических исследований, в атомной энергетике. Сущность: устройство включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель. В качестве катода использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, а в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон при давлении 40-50 атм и, соответственно, с плотностью 0,3-0,6 г/см³ с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания ксенона. Металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования σ˜3-5%. Технический результат - улучшение энергетического разрешения. 1 ил.

Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения, включающее цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, отличающееся тем, что в качестве катода использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон при давлении 40-50 атм. и соответственно с плотностью 0,3-0,6 г/см³ с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования σ˜3-5%.