АКТИВАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 2006 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к устройствам для регистрации ионизирующих излучений, в частности к активационным детекторам нейтронов.

Активационный детектор нейтронов предназначен для регистрации быстрых нейтронов с энергией более 1,5 МэВ от импульсного источника за короткий период времени при помощи активационного преобразователя из бериллия.

Известен детектор нейтронного излучения СДИ17 (см. статью Г.Н.Игнатьев, С.В.Ильина, Ф.Х.Насыров и др. "Детекторы импульсного излучения с избирательной чувствительностью". Технический прогресс в атомной промышленности. Серия: Организация производства и прогрессивная технология в приборостроении. - 1990. - Вып.10-11. - С.73) [1].

Детектор содержит активационный преобразователь из бериллия для регистрации нейтронов с порогом 1,5 МэВ; сцинтиллятор пластмассовый для преобразования энергии бета-излучения в световую; световод для передачи световых импульсов сцинтиллятора на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и электронную схему.

Принцип действия детектора заключается в следующем: нейтронное излучение, взаимодействуя с преобразователем из бериллия, активирует его по реакции ⁹Ве(n,α)⁶Не, продукты активации распадаются с испусканием бета-излучения. Отдельные бета-частицы, попадая в сцинтиллятор, дают световые вспышки, которые с помощью ФЭУ преобразуются в электрические импульсы.

Недостатком этого детектора в сравнении с предлагаемым изобретением является низкая чувствительность к быстрым нейтронам. Чувствительность детектора равна 2,2*10^-4 отсчетов^* см²/нейтрон.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство "Импульсный нейтронный детектор" (см. Патент США №4814623, кл. G 01 Т 3/06, 21.03.1989) с регистрацией импульсов быстрых нейтронов (с энергией больше 1,5 МэВ) [2].

В изобретении используется активационный преобразователь из бериллия, который взаимодействует с быстрыми нейтронами, в результате чего имеет место ядерная реакция ⁹Be(n,α)⁶Не. В свою очередь изотоп гелия ⁶He имеет период полураспада около 800 мс и распадается на литий (⁷Li) и бета-частицу. Бета-частица с граничной энергией 3,5 МэВ попадает в органический сцинтиллятор (водородосодержащий материал), где энергия бета-частиц преобразуется в световую. В изобретении предлагается два варианта исполнения импульсного нейтронного детектора: в виде смежных пластин из органического сцинтиллятора и бериллия толщиной ¹/₄ дюйма (около 0,06 см) каждая и в виде цилиндрического стержня из бериллия около ¹/₄ дюйма в диаметре, окруженного водородосодержащим органическим материалом.

В первом варианте две бериллиевые пластины зажаты между тремя пластинами органического сцинтиллятора, во втором варианте бериллиевый стержень зажат в полом цилиндре из органического сцинтиллятора.

Недостатками прототипа являются: недостаточно высокие соотношения сигнал/шум и сигнал/фон, что влияет на чувствительность детектора к быстрым нейтронам.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение чувствительности детектора к быстрым нейтронам. Чувствительность детектора равна 5·10^-2 отсчетов см²/нейтрон.

Технический результат достигается тем, что активационный детектор нейтронов, содержащий бериллиевый преобразователь нейтронов, органический сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и светозащитный корпус, в отличие от аналогичных известных технических решений дополнительно содержит световоды, кольцевые сцинтилляторы и поглощающий экран из висмута, при этом бериллиевый преобразователь нейтронов выполнен из диска с толщиной стенок, равной не более длины пробега бета-излучения в бериллии, и такой же толщины полых цилиндров, органический сцинтиллятор выполнен в виде набора полых цилиндров с толщиной стенок не менее ¹/₄ длины пробега бета-частиц в сцинтилляторе и высотой, равной высоте полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов, поглощающий экран из висмута выполнен в виде полого цилиндра, диска той же толщины, что и полый цилиндр и набора колец, кольцевые сцинтилляторы выполнены с толщиной, равной толщине полых цилиндров органического сцинтиллятора, полые цилиндры бериллиевого преобразователя нейтронов размещены соосно между полыми цилиндрами из органического сцинтиллятора, полые цилиндры органического сцинтиллятора расположены между цилиндрическими поверхностями световодов, кольца поглощающего экрана из висмута расположены между торцевой поверхностью полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов и входным окном фотоэлектронного умножителя, внешняя поверхность полого цилиндра последнего полого цилиндра бериллиевого преобразователя нейтронов окружена цилиндрической поверхностью полого цилиндра поглощающего экрана из висмута, диск бериллиевого преобразователя нейтронов размещен в торцовой части детектора между кольцами сцинтиллятора и поверхностью диска поглощающего экрана из висмута, торцевые поверхности полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов, обращенные к входу детектора, соединены с диском бериллиевого преобразователя нейтронов, а кольца сцинтилляторов оптически сопряжены с торцевыми поверхностями световодов.

Толщина стенок бериллиевого преобразователя должна быть равна не более длины пробега бета-частиц в бериллии. Если толщину стенок бериллиевого преобразователя взять больше, чем длина пробега бета-частиц в бериллии, то бета-частицы не будут выходить из бериллия. Если толщину стенок бериллия взять меньше, чем длина пробега бета-частиц в бериллии, это приводит к уменьшению чувствительности. Толщина стенок сцинтиллятора подобрана экспериментально. Толщины стенок органического сцинтиллятора выбираются не менее ¹/₄ длины пробега бета-частиц в сцинтилляторе, чтобы снизить влияние фоновых излучений на него, тем самым повысить отношения сигнал/шум и сигнал/фон соответственно. При выборе очень тонкого сцинтиллятора бета-частицы проходят сцинтиллятор, теряя незначительную энергию, вследствие чего полезный сигнал теряется в шумовом сигнале. При большей толщине сцинтиллятора повышается фон, так как фиксируются вспышки от фоновых излучений, поэтому уменьшается чувствительность. Тонкие органические сцинтилляторы окружены цилиндрическими световодами, которые служат для передачи световых вспышек к ФЭУ. Такая конструкция повышает чувствительность детектора к быстрым нейтронам, делая ее равной 5·10^-2 отсчетов см²/нейтрон.

Для защиты от фона чувствительный элемент детектора окружен висмутом. На чертеже приведена схема предлагаемого активационного детектора нейтронов, где: 1 - светозащитный корпус, 2 - полые цилиндры бериллиевого преобразователя, 3 - полые цилиндры органического сцинтиллятора, 4 - цилиндрические световоды, 5 - полый цилиндр из висмута, 6 - диск из висмута, 7 - бериллиевый преобразователь в виде диска, 8 - кольца из висмута, 9 - фотоэлектронный умножитель, 10 - сцинтилляторы в форме колец.

Активационный детектор нейтронов содержит размещенные внутри светозащитного корпуса 1: полые цилиндры бериллиевого преобразователя 2, окруженный полыми цилиндрами органический сцинтиллятор 3, световод 4 и поглощающий экран из висмута, выполненный в виде полого цилиндра 5 и такой же толщины диска 6; при этом бериллиевый преобразователь выполнен из диска 7 и такой же толщины N-числа полых цилиндров 2, размещенных соосно между полыми цилиндрами из органического сцинтиллятора 3, высота которых равна высоте цилиндров бериллиевого преобразователя 2, расположенными между цилиндрическими поверхностями световодов 4, высота которых равна сумме высот бериллиевого преобразователя 2 и висмутового кольца 8 за вычетом толщины кольцевых сцинтилляторов 10. Каждое из висмутовых колец 8 расположено между торцевой поверхностью соответствующего полого цилиндра бериллиевого преобразователя 2 и входным окном фотоэлектронного умножителя 9; внешняя поверхность полого цилиндра последнего бериллиевого преобразователя 2 окружена цилиндрической поверхностью полого цилиндра из висмута 5, а торцевые поверхности полых цилиндров бериллиевого преобразователя 2, обращенные к входу детектора, соединены с диском бериллиевого преобразователя 7, размещенным в торцовой части детектора, между кольцами сцинтиллятора 10 и поверхностью диска поглощающего экрана из висмута 6, толщина которого равна толщине поглощающего цилиндра из висмута 5. Толщина колец сцинтиллятора 10 равна толщине стенок полых цилиндров органического сцинтиллятора 3, при этом первые оптически соединены с торцевыми поверхностями световодов 4.

Устройство работает следующим образом: при взаимодействии быстрых нейтронов с цилиндром бериллиевого преобразователя 2 и диском бериллиевого преобразователя 7 происходит преобразование нейтронного излучения в бета-излучение, так как протекает ядерная реакция ⁹Be(n,α)⁶Не. Изотоп гелия (⁶He) распадается на литий и бета-частицу. С помощью тонкого органического сцинтиллятора 3 бета-частицы, образовавшиеся в результате взаимодействия быстрых нейтронов с бериллием, регистрируются. Вспышки от полых цилиндров органического сцинтиллятора 3 попадают в световоды 4, далее световые импульсы регистрируются ФЭУ 9. ФЭУ 9 преобразует световые импульсы в электрические. Цилиндр из висмута 5 и диск из висмута 6 защищают детектор от внешних гамма- и бета-излучений, которые ухудшают чувствительность, вызывая вспышки цилиндрических сцинтилляторов 3, 10. Кольца из висмута 8 служат для защиты ФЭУ 9 от бета-излучения бериллиевого преобразователя 1. Все детали помещены в светозащитный корпус 1. Световоды 4 увеличивают площадь светосбора и тем самым способствуют повышению чувствительности детектора, а также исключению активации стекла ФЭУ 9. Световоды 4 находятся в оптическом контакте со сцинтилляторами 3 и с ФЭУ 9. Конструкция чувствительной области детектора выбрана в виде соосных цилиндров, из чередующихся слоев бериллия, органического сцинтиллятора, световода. Это позволяет: во-первых, снизить образование вторичных взаимодействий, тем самым повысить отношение сигнал/шум; во-вторых, при увеличении чувствительного объема детектора повысить эффективность регистрации детектора. Толщина активационного материала из бериллия определена пробегом бета-частиц в нем и приборной чувствительностью.

Источники информации

1. Г.Н.Игнатьев, С.В.Ильина, Ф.Х.Насыров и др. "Детекторы импульсного излучения с избирательной чувствительностью". Технический прогресс в атомной промышленности. Серия: Организация производства и прогрессивная технология в приборостроении. - 1990. - Вып.10-11. - С.73.

2. Патент США №4814623, G 01 Т 3/06, 21.03.1989 (прототип).

Предложенное изобретение относится к устройствам для регистрации ионизирующих излучений, в частности к активационным детекторам нейтронов. Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение чувствительности детектора к быстрым нейтронам. Активационный детектор нейтронов содержит бериллиевый преобразователь нейтронов, органический сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и светозащитный корпус, световоды, кольцевые сцинтилляторы и поглощающий экран из висмута. При этом бериллиевый преобразователь нейтронов выполнен из диска с толщиной стенок, равной не более длины пробега бета-излучения в бериллии, и такой же толщины полых цилиндров, органический сцинтиллятор выполнен в виде набора полых цилиндров с толщиной стенок не менее ¹/₄ длины пробега бета-частиц в сцинтилляторе и высотой, равной высоте полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов, поглощающий экран из висмута выполнен в виде полого цилиндра, диска той же толщины, что и полый цилиндр и набора колец, кольцевые сцинтилляторы выполнены с толщиной, равной толщине полых цилиндров органического сцинтиллятора. Конструкция чувствительной области детектора выбрана в виде соосных цилиндров, из чередующихся слоев бериллия, органического сцинтиллятора, световода. 1 ил.

Активационный детектор нейтронов, содержащий бериллиевый преобразователь нейтронов, органический сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и светозащитный корпус, отличающийся тем, что он дополнительно содержит световоды, кольцевые сцинтилляторы и поглощающий экран из висмута, при этом бериллиевый преобразователь нейтронов выполнен из диска с толщиной стенок, равной не более длины пробега бета-излучения в бериллии, и такой же толщины полых цилиндров, органический сцинтиллятор выполнен в виде набора полых цилиндров с толщиной стенок не менее ¹/₄ длины пробега бета-частиц в сцинтилляторе и высотой, равной высоте полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов, поглощающий экран из висмута выполнен в виде полого цилиндра, диска той же толщины, что и полый цилиндр, и набора колец, кольцевые сцинтилляторы выполнены с толщиной, равной толщине полых цилиндров органического сцинтиллятора, полые цилиндры бериллиевого преобразователя нейтронов размещены соосно между полыми цилиндрами из органического сцинтиллятора, полые цилиндры органического сцинтиллятора расположены между цилиндрическими поверхностями световодов, кольца поглощающего экрана из висмута расположены между торцевой поверхностью полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов и входным окном фотоэлектронного умножителя, внешняя поверхность полого цилиндра последнего полого цилиндра бериллиевого преобразователя нейтронов окружена цилиндрической поверхностью полого цилиндра поглощающего экрана из висмута, диск бериллиевого преобразователя нейтронов размещен в торцевой части детектора между кольцами сцинтиллятора и поверхностью диска поглощающего экрана из висмута, торцевые поверхности полых цилиндров бериллиевого преобразователя нейтронов, обращенные к входу детектора, соединены с диском бериллиевого преобразователя нейтронов, а кольца сцинтилляторов оптически сопряжены с торцевыми поверхностями световодов.