СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 2006 года по МПК G01T1/20 G01T3/06 

Изобретение относится к области детектирования быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также гамма-излучения. Оно пригодно для использования в стационарных комплексах и системах радиационного контроля, а также в переносных устройствах, предназначенных для обнаружения делящихся материалов (урана, плутония, калифорния и изделий из них), для радиационного обследования ядерных субмарин, подлежащих разборке, для решения задач Госатомнадзора и таможенного контроля по радиационному мониторингу, для служб дозиметрической и ядерной безопасности предприятий по переработке ядерного горючего, для служб по предотвращению акций ядерного терроризма.

Известен селективный детектор нейтронов (Селективный детектор нейтронов. Патент США № 3688118, G 01 T 1/00, 1/20, 1972). Он содержит электронный блок информации и два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, а другой - только к заряженным частицам. Число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с датчиков, выделяемым с помощью электронного блока. Однако для датчика, чувствительного одновременно к заряженным частицам и нейтронам, эффективность регистрации нейтронов не может быть высокой. Известный детектор нейтронов не пригоден для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор СПС-Т4А (Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского физико-технического института, 1990). Датчик детектора представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации быстрых нейтронов. Детектор имеет следующие характеристики: длительность сцинтиимпульса, создаваемого нейтронами - 8,5 нс; световой выход (УЕСВ по ГОСТ 23077-78) при возбуждении электронами с энергией 662 кэВ - 0,29; максимум спектра люминесценции - 490 нм, диаметр и высота - до 50 мм. Однако такой детектор не пригоден для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор для измерения нейтронов и гамма-лучей (Патент США № 4482808, G 01 T 3/06, 1984). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, в частности сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и блок электронной обработки сигналов, включающий в себя электронную схему селекции для разделения сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами. Однако известный однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Описываемый детектор не обладает функциональными возможностями, необходимыми для одновременной регистрации быстрых и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации ионизирующего излучения (Детектор для регистрации ионизирующего излучения. Патент РФ № 2088952. Бюл. № 24. 27.08.1997). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. Датчик-сцинтиблок состоит из последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также α-, β-, γ-излучениям, и световода, изготовленного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также фотоэлектронного умножителя, преобразующего световые вспышки (сцинтилляции) в электрические сигналы. Блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него как от α-, β-, γ-сцинтиллятора Bi₄Ge₃O₁₂ (длительностью 300 нс), так и от сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода (с длительностью сцинтилляций 5-7 нс). Однако данный детектор, будучи чувствительным к быстрым нейтронам, не чувствителен к тепловым нейтронам и не пригоден для их регистрации. Известный сцинтилляционный детектор не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов и гамма-излучения (Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения. Патент РФ №2189057. Бюл. №25. 10.09.2002). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор, (n,α,γ)-конвертор из карбида или нитрида бора, сцинтилляционный кристалл NaI-Tl и фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки информации. Однако такой детектор имеет целый ряд недостатков:

- эффективность фотосбора сцинтилляций, возникающих в пластике от быстрых нейтронов, невысока по целому ряду причин: (а) пластик соприкасается с фотоприемником (ФЭУ) не всей плоскостью, а только по периферийному кольцу; (б) площадь соприкосновения пластика с окном ФЭУ составляет 30-40% от площади окна, поэтому эффективность фотосъема не превышает 30-40% от фотосбора в режиме, когда сцинтиллятор соприкасался бы с ФЭУ всем своим рабочим торцом; (в) чехол (n,α,γ)-конвертора из карбида или нитрида бора является светонепроницаемым и часть сцинтилляций, возникающих в пластике, поглощается в чехле и не доходит до ФЭУ и, следовательно, не регистрируется;

- стойкость к удару такого детектора понижена из-за высокой гигроскопичности сцинтилляционного кристалла NaI-Tl;

- блок обработки сигналов известного детектора оказывается сложным из-за необходимости регистрации и обработки 4-х групп сигналов, различающихся по длительности и амплитуде.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор нейтронов на основе пластика и ⁶Li-силикатного стекла (Детектор для регистрации ионизирующего излучения. Патент РФ № 2143711. Бюл. № 36. 29.12.1999). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. В состав датчика-сцинтиблока входят помещенные в единый корпус фотоэлектронный умножитель и три параллельно-последовательно соединенных сцинтиллятора: 1 - входной нейтронный сцинтиллятор, выполненный из чувствительного к быстрым нейтронам органического водородосодержащего вещества на основе пластмассы (СН)_n или стильбена (сцинтиллятор с колодцем), играющий одновременно роль входного замедлителя быстрых нейтронов до тепловых энергий; 2 - размещенный в колодце входного сцинтиллятора сцинтилляционный кристалл NaI-Tl в стандартном контейнере, чувствительный к гамма-излучению; 3 - чувствительный к тепловым нейтронам внутренний сцинтиллятор на основе активированного церием ⁶Li-силикатного стекла. Блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от двух нейтронно-чувствительных сцинтилляторов и от гамма-чувствительного сцинтиллятора, а также спектрометрический анализатор для обработки сцинтиимпульсов от сцинтилляционного кристалла NaI-Tl.

Однако известный детектор имеет целый ряд недостатков:

- эффективность фотосбора сигналов от быстрых нейтронов, возникающих в пластике (СН)_n, невысока из-за того, что сигналы, во-первых, поступают на фотоприемник (ФЭУ) только по периферийному кольцу, обеспечивая фотосъем сцинтилляций на уровне до 30-40% вследствие того, что кристалл NaI-Tl находится в непрозрачном корпусе и экранирует часть светового потока, возникающего в пластике, а во-вторых, вследствие того, что излучение быстрого пластикового сцинтиллятора не непосредственно попадает на ФЭУ, а поступает на него через стекло и частично поглощается в этом стекле, имеющем границу пропускания 350-380 нм, в результате чего может быть потеряно до 32-43% полезной информации;

- пониженная стойкость к ударным нагрузкам, поскольку детектор содержит сцинтилляционный кристалл NaI-Tl, отличающийся высокой гигроскопичностью, что повышает требования к герметизации.

Таким образом, известный детектор, хотя и позволяет обнаруживать как быстрые, так и тепловые нейтроны, не может обеспечить их эффективную регистрацию.

Предлагаемое устройство - сцинтилляционный детектор - обеспечивает регистрацию с повышенной эффективностью быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Блок-схема заявляемого устройства приведена на чертеже. Предлагаемое устройство состоит из датчика-сцинтиблока и блока электронной обработки сигналов. В едином корпусе 1 датчика-сцинтиблока за входным замедлителем нейтронов 2 (в виде цилиндра с конусообразной полостью) размещены чувствительный к тепловым нейтронам покрытый световозвращающей пленкой 3 дополнительный входной сцинтиллятор 4, выполненный из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла в форме полого конуса, дополнительный конусообразный замедлитель нейтронов 5 и внутренний дискообразный сцинтиллятор 6 из ⁶Li-силикатного стекла, находящийся в оптическом контакте с входным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 7. Сигналы с датчика-сцинтиблока поступают на блок электронной обработки сигналов 8, обеспечивающий подсчет сцинтилляций и определение плотности потока нейтронов, попадающих в датчик-сцинтиблок.

Сущность изобретения заключается в том, что датчик-сцинтиблок содержит дополнительный входной сцинтиллятор 4 в форме полого конуса с толщиной стенки (˜4-5 мм), достаточной для захвата тепловых нейтронов (на ядрах изотопа ⁶Li) и их регистрации. Дополнительный входной сцинтиллятор 4 со световозвращающей пленкой 3 расположен внутри входного замедлителя нейтронов 2, выполненного из водородосодержащего материала в виде цилиндра с полостью в форме конуса. Геометрия входного замедлителя нейтронов 2 обеспечивает следующее: вблизи оси входного замедлителя нейтронов 2 замедляются до тепловых энергий медленные нейтроны, а вдали от оси входного замедлителя нейтронов 2 замедляются до тепловых энергий промежуточные и быстрые нейтроны. Геометрические размеры входного замедлителя нейтронов 2 выбираются такими, чтобы обеспечить замедление основной части нейтронов всех энергий первичного спектра (быстрых, промежуточных и медленных) до тепловых энергий. Часть промежуточных и быстрых нейтронов, попадающих в датчик-сцинтиблок через зону, прилегающую к оси входного замедлителя нейтронов 2, не замедляется входным замедлителем нейтронов 2 до тепловых энергий и поэтому не регистрируется дополнительным входным сцинтиллятором 4. Однако эта группа нейтронов попадает в поле действия дополнительного конусообразного замедлителя нейтронов 5, замедляется им до тепловых энергий и регистрируется внутренним дискообразным сцинтиллятором 6.

Предлагаемое устройство благодаря двум замедлителям нейтронов с переменным сечением (замедлители 2 и 5) обеспечивает замедление всех нейтронов (быстрых, промежуточных и медленных) до тепловых энергий и их регистрацию с помощью двух сцинтилляторов (сцинтилляторы 4 и 6), обеспечивая всеволновой режим работы нейтронного детектора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Регистрируемое нейтронное излучение, в частности, от делящихся материалов с энергией 0,025 эВ-14 МэВ поступает в детектор через торец корпуса 1. Тепловые нейтроны (с энергией 0,025 эВ) первичного спектра и тепловые нейтроны, созданные в результате замедления быстрых, промежуточных и медленных нейтронов во входном замедлителе нейтронов 2, попадая в дополнительный входной сцинтиллятор 4, регистрируются им благодаря реакции ⁶Li(n,α)Т, продукты которой вызывают сцинтилляции с максимумом спектра свечения при 390-400 нм и длительностью 60-80 нс. Световые вспышки от дополнительного входного сцинтиллятора 4 через дополнительный конусообразный замедлитель нейтронов 5 из водородосодержащего вещества, прозрачный к сцинтилляциям с длиной волны 390-400 нм (что позволяет ему одновременно играть роль световода), и через внутренний дискообразный сцинтиллятор 6, также прозрачный к сцинтилляциям с длиной волны 390-400 нм, поступают на ФЭУ 7 и регистрируются им. Световозвращающая пленка 3 предназначена для увеличения светособирания световых вспышек (сцинтилляций) от дополнительного входного сцинтиллятора 4.

Та часть первичных нейтронов, как быстрых, так и промежуточных, которая прошла через входной замедлитель нейтронов 2 (с переменной по радиусу длиной пути замедления) и не замедлилась до тепловых энергий, и которая осталась незарегистрированной дополнительным входным сцинтиллятором 4, проходя через дополнительный конусообразный замедлитель нейтронов 5 из водородосодержащего материала (антибатный по длине замедления входному замедлителю нейтронов 2), замедляется им до тепловых энергий и попадает во внутренний дискообразный сцинтиллятор 6, содержащий также изотоп ⁶Li, и, взаимодействуя с ядрами изотопа ⁶Li по реакции ⁶Li(n,α)Т, регистрируется. Светосбор этой части сцинтилляций осуществляют через оптический контакт с помощью ФЭУ 7 так же, как осуществляют светосбор сцинтилляций от дополнительного входного сцинтиллятора 4. Сигналы с ФЭУ в обоих случаях поступают в блок электронной обработки сигналов 8, работающий в счетном режиме.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного детектора нейтронов является его способность регистрировать гамма-излучение, сопутствующее нейтронному излучению делящихся материалов и изделий из них. Такая возможность обусловлена достаточно высокой чувствительностью ⁶Li-силикатного стекла к гамма-излучению делящихся материалов. Гамма-сцинтилляции имеют практически тот же спектр и длительность, что и сцинтилляции от нейтронов. Они регистрируются блоком электронной обработки сигналов, работающим в счетном режиме, и проявляются как добавка к скорости счета от нейтронов. Это повышает обнаружительную способность детектора при поиске делящихся материалов (урана, плутония, калифорния и др.) и изделий из них, поскольку при этом обеспечивается их обнаружение сразу по двум характерным для них излучениям: нейтронному и гамма-излучению.

Использование: для детектирования быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также гамма-излучения. Сущность изобретения: устройство состоит из датчика-сцинтиблока, включающего входной замедлитель нейтронов из водородосодержащего вещества, внутренний дискообразный сцинтиллятор из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла, находящийся в оптическом контакте с входным окном фотоэлектронного умножителя, и блока электронной обработки сигналов. Дополнительно в датчике-сцинтиблоке за входным замедлителем нейтронов, выполненным в форме цилиндра с конусообразной полостью, расположены покрытый светоотражающей пленкой дополнительный входной сцинтиллятор из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла в форме полого конуса, дополнительный конусообразный замедлитель нейтронов и внутренний дискообразный сцинтиллятор из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла. Дополнительный входной сцинтиллятор в форме полого конуса расположен внутри входного замедлителя. Технический результат: повышение эффективности регистрации как быстрых, так и тепловых нейтронов, а также одновременной регистрации гамма-излучения, сопутствующего нейтронному излучению делящихся материалов. 1 ил.

Сцинтилляционный детектор нейтронов, состоящий из датчика-сцинтиблока, включающего входной замедлитель нейтронов из водородосодержащего вещества, внутренний дискообразный сцинтиллятор из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла, находящийся в оптическом контакте с входным окном фотоэлектронного умножителя, и блока электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что в датчике-сцинтиблоке за входным замедлителем нейтронов, выполненным в форме цилиндра с конусообразной полостью, расположены покрытый светоотражающей пленкой дополнительный входной сцинтиллятор из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла в форме полого конуса, дополнительный конусообразный замедлитель нейтронов и внутренний дискообразный сцинтиллятор из активированного церием ⁶Li-силикатного стекла, при этом дополнительный входной сцинтиллятор в форме полого конуса расположен внутри входного замедлителя.