СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2007 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к области исследования и/или анализа материалов путем определения их физических свойств, конкретно к обнаружению радиоактивных материалов.

Известен способ анализа многокомпонентных материалов, согласно которому исследуемый образец помещают между источником γ-излучения и детектором. Далее γ-кванты регистрируют, импульсы детектора усиливают и через счетчик направляют в вычислительное устройство (контроллер), после обработки информацию выводят на дисплей. Патент Великобритании №2088050, G01N 23/08, 1998 г.

Недостатком изобретения является необходимость использовать источник радиоактивного излучения и детектор с высоким энергетическим разрешением.

Известен способ обнаружения контрабанды на основе полиэнергетического источника γ-излучения и спектрометрических оценок γ-излучения. Патент Российской Федерации №2161299, МПК: G01N 23/08, 2000 г.

Недостатком изобретения являются трудности определения состава скрытого материала, поскольку величина альбедо (показателя отражения) широкого пучка γ-излучения не позволяет связать интенсивность регистрируемого γ-излучения с атомным номером или плотностью отражающего вещества и, следовательно, не позволяет идентифицировать характер скрытой закладки. Недостатком изобретения является также необходимость использовать источник радиоактивного излучения и детектор с высоким энергетическим разрешением.

Известен способ определения проникающего излучения и ядерно-физических параметров и элементного состава сборки, содержащей делящееся вещество. Импульсами протонов длительностью 5-50 нс облучают сборку, временное распределение гамма-квантов регистрируют в течение 200-2000 нс после прохождения через исследуемый объект облучающего импульса, вызывающего в делящихся материалах эмиссию запаздывающих гамма-квантов. Для каждого зарегистрированного гамма-кванта измеряют его энергию, запоминают время регистрации. Патент Российской Федерации №2130653, G21С 17/06, Бюл. №14, 1999 г.

Изобретение основано на методике сравнения с калибровочными данными при регистрации запаздывающих гамма-квантов и применимо только в условиях сложной стационарной установки.

Известен способ, в котором тяжелые заряженные частицы с энергией 5-6 МэВ в виде коротких импульсов и МГц-частотой повторения, конвертируют, получая слабонаправленный поток быстрых нейтронов, формируют пучок нейтронов карандашного типа, направляют его на инспектируемый объект и перемещают по поверхности объекта. Активируют по микрообъемам вещество объекта (закладку, контрабанду), регистрируют характеристические гамма-кванты элементов, входящих в состав этого вещества. Патент США №5076993, МПК: G21G 1/06, 1991 г.

В данном способе для отображения содержимого объекта на мониторах применяют времяпролетный анализ для построения трехмерного изображения внутреннего содержимого объекта.

Способ не применим для инспекции ядерных материалов, сокрытых в средах нейтронозамедляющих легкоэлементных веществ (типа воды, нефти, спирта и т.п.) или прикрытых защитными экранами из веществ большого атомного номера Z. Способ не применим в условиях производства и полевых условиях.

Известен способ обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов с помощью волоконного блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, основанный на рождении протонов отдачи в материале волокна, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником. Патент Российской Федерации №2119178, МПК: G01Т 3/06, Бюл. №26, 1998 г. Прототип.

Недостатки прототипа заключаются в том, что указанный способ позволяет регистрировать только быстрые нейтроны и не позволяет идентифицировать излучение, определить направление излучения. Данный способ не применим при энергии нейтронов, пробег протонов отдачи от которых меньше сечения волокна.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является определение направления на источник быстрых нейтронов и идентификация источника излучения, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения источника быстрых нейтронов с помощью полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, основанном на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи в материале волокна, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником, используют волоконно-оптический экран преобразователь из продольных волокон с нанесенной в шахматном порядке на одной из его торцевых поверхностей маской люминофора для регистрации тепловых нейтронов, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны волоконно-оптического экрана преобразователя к другой и по калибровочным значениям светового сигнала, полученным при различных углах падения пучка проникающего излучения или по значению градиента сигнала между противоположными сторонами ВОЭП, определяют плоскость в которой лежит источник быстрых нейтронов, а для определения направления на источник необходимо повернуть ВОЭП так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна найденной ранее плоскости и повторно измерить направление градиента, указывающего в этом случае на источник излучения. По величине отношения сигналов от тепловых нейтронов и быстрых нейтронов проводят идентификацию источника излучения.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-6.

На фиг.1 схематично представлен регистратор ионизирующих излучений в виде блока волоконно-оптического экрана-преобразователя (ВОЭП), где

1 - позиционно-чувствительный фотоприемник,

2 - сборка из полистирольного сцинтиллирующего водородосодержащего волокна, выполненная в виде цилиндра (усеченного конуса, усеченная пирамида),

3 - маска для регистрации тепловых нейтронов в виде слоя люминофора, расположенного в шахматном порядке на одной из торцевых поверхностей жгута 2,

4 - пучок ионизирующего излучения, например быстрых нейтронов, ϕ-угол между пучком и нормалью к оси экранного блока. Система азимутальных перемещений, выполненная, например, на основе шарового шарнира, на фигурах не показана.

На фиг.2 представлено пространственное распределение фотонов от быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ, а именно зависимости сигнала от расстояния до центральной плоскости ВОЭП при различных углах падения ϕ.

На фиг.3 представлено пространственное распределение фотонов на выходе ВОЭП, обусловленных быстрыми нейтронами различного спектра, при падении пучка первичных нейтронов перпендикулярно оси волокон (ϕ=0, пучок нейтронов падает справа).

На фиг.4 представлено пространственное распределение фотонов на поверхности ВОЭП, обусловленных тепловыми нейтронами, при падении пучка первичных нейтронов различного спектра перпендикулярно оси волокон (ϕ=0, пучок нейтронов падает справа).

На фиг.5 представлено пространственное распределение отношения фотонов от тепловых и быстрых нейтронов при различных углах ϕ (пучок нейтронов падает справа) для различных источников быстрых нейтронов.

На фиг.6 схематично в два этапа представлено определение направления на источник нейтронов.

Способ обнаружения проникающего излучения заключается в получении двухмерных изображений пространственных распределений быстрых и тепловых нейтронов с помощью ВОЭП, волоконный жгут 2 которого с маской 3 и позиционно-чувствительным фотоприемником 1 служит одновременно замедлителем быстрых нейтронов, детектором как быстрых, так и тепловых нейтронов. Для этого жгут 2 выполнен из сцинтиллирующих под действием быстрых нейтронов волокон. На торец жгута 2 нанесена люминесцентная маска 3 для регистрации тепловых нейтронов, возникающих в результате замедления быстрых нейтронов или излучаемых внешним источником 4.

Быстрые нейтроны (пучок ионизирующего излучения 4) замедляются в жгуте 2 из полистирольных сцинтиллирующих волокон и при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода теряют свою энергию, рождают протоны отдачи, которые и вызывают сцинтилляции. Свет от сцинтилляционных вспышек распространяется по волокнам жгута 2 к ее торцам. Для увеличения количества собираемого света (фотонов) волокна покрыты светоотражающей оболочкой.

Люминесцентная маска 3 для тепловых нейтронов нанесена в виде слоя люминофора (светосостава) Li⁶F+ZnS в шахматном порядке на одну из торцевых поверхностей жгута 2. Этот слой может быть выполнен и в виде прозрачной пластины, накладываемой на торец жгута 2 и содержащей люминофор, расположенный в шахматном порядке.

Тепловые нейтроны, образовавшиеся в жгуте 2 в результате замедления, вытекают наружу через поверхность жгута 2. Для их регистрации на торцы волокон, суммарной площадью от нескольких миллиметров до нескольких сотен миллиметров и нанесен (например, в шахматном порядке) люминофор, излучающий свет при захвате теплового нейтрона. Этот свет захватывается соответствующими волокнами и переносится на позиционно-чувствительный фотоприемник 1. Поскольку волокна с нанесенным на них люминофором также регистрируют и быстрые нейтроны, сигнал только от тепловых нейтронов определяется разницей сигналов в смежных областях маски 3, предназначенных для регистрации быстрых и тепловых нейтронов. Для увеличения сигнала от быстрых нейтронов участки поверхности маски 3, не покрытые люминофором, покрыты светоотражающим материалом.

Обнаружение источника тепловых или быстрых нейтронов происходит при превышении величины сигнала, регистрируемого позиционно-чувствительным фотоприемником 1, уровня фонового сигнала с учетом его стандартного отклонения (сигнал плюс два или три стандартных отклонения).

Направление на источник определяют по направлению быстрейшего роста двухмерного сигнала быстрых нейтронов и находят как вектор между областями ВОЭП, используемыми для регистрации быстрых нейтронов, симметричными относительно оси ВОЭП, для которого значение функции

F(θ)=ln(S₁/S₂)/r_1-2

максимально, где:

S₁ и S₂ - усредненные сигналы от быстрых нейтронов в ячейках, распложенных симметрично относительно центра изображения;

r_1-2 - расстояние между центрами выбранных ячеек.

Схематичное определение направления на источник нейтронов показано на фиг.6.

Направление быстрейшего роста сигналов, регистрируемых с помощью позиционно-чувствительного фотоприемника 1 на выходе ВОЭП, является проекцией направления на источник на основание ВОЭП. Ориентация этого вектора позволяет определить угол ϕ между плоскостью, в которой лежит источник быстрых нейтронов, и осью Х (этап 1). Для определения направления на источник необходимо повернуть ВОЭП так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна найденной ранее плоскости (этап 2).

Определенное из второго измерения направление быстрейшего роста сигналов дает возможность определить азимутальный угол θ и, тем самым, определить направление на источник быстрых нейтронов.

Из графиков на фиг.2 видно, что при нормальном падении 14 МэВ нейтронов количество фотонов уменьшается от одного края ВОЭП к другому приблизительно в 2,2 раза. При меньших энергиях нейтронов эта зависимость более резкая. Количество фотонов уменьшается от одного края ВОЭП к другому в 5,4 раза для нейтронов с энергией 3 МэВ и в 7,9 раз для спектра деления.

Из приведенных зависимостей на фиг.2, 3, 4 видно, что направление на источник выявляют по направлению, соответствующему наибольшему отношению количества фотонов от быстрых нейтронов на противоположных сторонах ВОЭП.

Направление на источник находится в плоскости, определяемой осью ВОЭП и линией, соответствующей наибольшему спаду сигнала между противоположными сторонами ВОЭП. При повороте ВОЭП так, чтобы его ось стала перпендикулярна этой плоскости, вновь полученная линия, соответствующая наибольшему спаду сигнала, прямо указывает на источник.

Идентифицируют спектр падающих нейтронов по следующим критериям:

- по пространственному распределению оптического сигнала от быстрых нейтронов в ВОЭП (фиг.3);

- по пространственному распределению оптического сигнала от тепловых нейтронов, образовавшихся в результате термализации быстрых нейтронов в ВОЭП и вытекающих через одну из его торцевых поверхностей (фиг.4);

- по пространственному распределению отношения оптических сигналов от тепловых и быстрых нейтронов (фиг.5).

ВОЭП выполнен из волокон полистирола ⊘15 см и высотой 10 см. На одну из торцевых поверхностей ВОЭП в шахматном порядке нанесен люминофор, предназначенный для регистрации вытекающих из ВОЭП тепловых нейтронов, например Li⁶F+ZnS:Ag.

Быстрые нейтроны регистрируют полистирольными волокнами, проходящими между торцами ВОЭП.

На фиг.3 наблюдается равномерный спад сигнала от быстрых нейтронов с расстоянием. Величина сигнала определяется произведением количества образовавшихся протонов отдачи и их средней энергией. При уменьшении энергии нейтронов количество протонов отдачи растет из-за увеличения сечения рассеяния. Однако этот эффект значительно меньше эффекта, связанного с уменьшением энергии, средней по спектру протонов отдачи. Сигнал падает с уменьшением энергии нейтронов за счет уменьшения их количества и средней энергии, несмотря на увеличение сечения рождения протонов отдачи. Различие в сечениях проявляется в величине отношения сигналов на боковых границах ВОЭП. Значение отношения падает при увеличении энергии первичных нейтронов.

Величина отношения для первичных нейтронов с энергией 14 МэВ составляет примерно 2,2. Для нейтронов с энергией 3 МэВ величина отношения составляет 5,4. Для нейтронов спектра деления Pu²³⁹ величина отношения составляет 7,9.

На фиг.3 пространственное распределение фотонов на выходе ВОЭП обусловлено быстрыми нейтронами, при падении пучка первичных нейтронов перпендикулярно оси волокон (ϕ=0, пучок нейтронов падает справа).

Сигнал от тепловых нейтронов образован замедлившимися в ВОЭП быстрыми нейтронами. Величина сигнала падает при увеличении энергии первичных нейтронов из-за того, что нейтроны более высоких энергий термализуются менее эффективно. Для идентификации источника используют заранее измеренные для различных источников быстрых нейтронов двумерные распределения сигналов тепловых и быстрых нейтронов и величина К_n, являющаяся отношением сигналов от тепловых и быстрых нейтронов, просуммированных по всей площади позиционно-чувствительного фотоприемника 1. В табл.1 представлены максимальные и минимальные значения К_n при варьировании углов ϕ и θ

Нейтронные источникиK_n (ϕ=-90°)K_n (ϕ=90°)14 МэВ1,21,43 МэВ10,28,8²⁵²C_f19,518,6Ra-Be5,86,8²⁴⁰Pu22,921,9²³⁵U22,921,6²³⁹Pu21,7207

Из таблицы видно, что рассмотренные источники нейтронов можно разбить на четыре группы по величине K_n:

- генератор 14 МэВ нейтронов;

- генератор 3 МэВ нейтронов;

- изотопные источники на основе реакций Ве9(α, n)С12;

- источник нейтронов спонтанного деления.

Отличие в величине K_n между этими группами превышает 50%, что значительно больше изменения K_n при изменении ориентации ВОЭП относительно источника нейтронов. В группе источников нейтронов деления выделяются источник ²⁵²Cf, K_n для которого примерно на 20% ниже, чем для нейтронов деления других изотопов.

Тип источника устанавливается путем определения K_n при произвольном положении ВОЭП и сравнения с величиной K_n из банка данных. В случае неоднозначного определения типа источника при произвольном положении ВОЭП проводится дополнительное измерение, в котором ВОЭП устанавливается так, чтобы пучок нейтронов падал на торец ВОЭП с детектором тепловых нейтронов. При такой ориентации ВОЭП уменьшается диапазон возможных значений, коэффициента К_n для данного типа источника. Для увеличения надежности идентификации источника проводят сравнение измеренных в этом положении двумерных распределений сигналов от быстрых и тепловых нейтронов с ранее измеренными для различных типов источников. В качестве критерия используют отношение величин сигналов на краях ВОЭП.

Пространственное распределение тепловых нейтронов (фиг.4) имеет колоколообразный вид. Расстояние до поверхности падения, на котором наблюдают максимум потока тепловых нейтронов, тем меньше, чем меньше энергия первичного нейтрона. Максимум распределения наблюдается на расстоянии 1-2 см от центральной плоскости ВОЭП. Положение максимума используют как дополнительный критерий при установлении типа источника. Для идентификации источника быстрых нейтронов, исходя из пространственных зависимостей, представленных на фиг.3 и 4, проводят калибровочные измерения для конкретного типа фотоприемного устройства с различными типами источников.

Лучшим критерием для идентификации источника быстрых нейтронов является отношение сигналов от тепловых нейтронов, зарегистрированных слоем Li⁶F+ZnS и быстрых нейтронов (фиг.5). Величина этого отношения практически не зависит от положения источника.

Величина отношения сигналов отличается, примерно на порядок, при переходе от первичных нейтронов с энергией 14 МэВ к нейтронам с энергией 3 МэВ и при переходе от нейтронов с энергией 3 МэВ к нейтронам спектра деления.

Разница между величиной отношения для первичных нейтронов с энергией 3 МэВ и первичных нейтронов спектра деления, несмотря на сравнительно малую разницу в средних энергиях нейтронов, вызвана присутствием в спектре деления значительной части нейтронов с энергией менее 3 МэВ.

Идентификация источника излучения, основанная на измерении отношения оптических сигналов: от тепловых и быстрых нейтронов, позволяет обходиться без угловых перемещений ВОЭП.

Таким образом, характер поведения отношения количества фотонов от быстрых и тепловых нейтронов решает задачу идентификации спектра первичных нейтронов.

Направление градиента оптического сигнала, регистрируемого с помощью матричного фотоприемника на выходе ВОЭП, позволяет определить плоскость, в которой находится источник быстрых нейтронов.

Эта плоскость для мононаправленного пучка в любом случае проходит через ось ВОЭП. Для определения направления на источник достаточно повернуть ВОЭП вокруг направления градиента на 90 градусов и провести дополнительное измерение. Определенное из второго измерения направление градиента непосредственно указывает на источник быстрых нейтронов.

Использование: для обнаружения направления на источник быстрых нейтронов. Сущность: заключается в том, что используют волоконно-оптический экран преобразователь (ВОЭП) из продольных волокон с нанесенной в шахматном порядке на одной из его торцевых поверхностей маской люминофора для регистрации тепловых нейтронов, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны волоконно-оптического экрана преобразователя к другой и по калибровочным значениям светового сигнала, полученным при различных углах падения пучка проникающего излучения, или по значению градиента сигнала между противоположными сторонами ВОЭП определяют плоскость, в которой лежит источник быстрых нейтронов, а для определения направления на источник необходимо повернуть ВОЭП так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна найденной ранее плоскости и повторно измерить направление градиента, указывающего в этом случае на источник излучения, при этом по величине отношения сигналов от тепловых нейтронов и быстрых нейтронов проводят идентификацию источника излучения. Технический результат: определение направления на источник быстрых нейтронов, идентификация источника излучения, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ обнаружения направления на источник быстрых нейтронов с помощью полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, основанный на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи в материале волокна, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником, отличающийся тем, что используют волоконно-оптический экран-преобразователь (ВОЭП) из продольных волокон с нанесенной в шахматном порядке на одной из его торцевых поверхностей маской люминофора для регистрации тепловых нейтронов, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны волоконно-оптического экрана преобразователя к другой и по калибровочным значениям светового сигнала, полученным при различных углах падения пучка проникающего излучения или по значению градиента сигнала между противоположными сторонами ВОЭП, определяют плоскость, в которой лежит источник быстрых нейтронов, а для определения направления на источник необходимо повернуть ВОЭП так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна найденной ранее плоскости, и повторно измерить направление градиента, указывающего в этом случае на источник излучения.2. Способ обнаружения проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что по величине отношения сигналов от тепловых нейтронов и быстрых нейтронов проводят идентификацию источника излучения.