ДЕТЕКТОР ГОДОСКОПА Российский патент 2007 года по МПК G01T3/06 G01T1/20 

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, конкретно к исследованию или анализу предметов радиационными методами для обнаружения радиоактивных материалов и источников.

Известен твердотельный детектор, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из этих элементов. Патент США №4942302, МПК G01Т 1/02, опубл. 1991 г.

Устройству характерны большие оптические потери при передаче излучения на большие расстояния. Реализация устройства сложна из-за соединения элементов (волокон) с помощью переходного жгута.

Устройство не позволяет определять местоположение источника радиоактивного излучения и его тип.

Известен детектор, содержащий оптический преобразователь для обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Работа блока основана на рождении протонов отдачи в материале элемента, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником. По существу данный детектор является детектором годоскопа, но только для нейтронов. Патент Российской Федерации №2119178, МПК G01Т 3/06, Бюл. №26, 1998 г. Прототип.

Недостатки прототипа заключаются в том, что указанный детектор позволяет регистрировать только быстрые нейтроны и не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения. Размеры элементов ограничены и представляют собой волокна с поперечным размером не более 1 мм.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, определение местоположения источника излучения, его идентификация, определение, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них.

Технический результат достигается тем, что в детекторе годоскопа, содержащем блок сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, согласно изобретению сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·а, где а - ширина стержня пакета, b - высота стержня пакета, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов обеспечены выводами для соединения схемами регистрации сцинтилляционных вспышек.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1, 2.

На фиг.1 представлен детектор годоскопа, где:

1 - сцинтиллирующие оптические элементы (далее стержни). Сцинтиллирующие оптические элементы 1 уложены рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выполнены в виде стержней.

Стержни 1 имеют сечение: а·b (а - ширина стержня, b - высота стержня), скомпонованы в блок размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·а, где k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, 2 - спектросмещающие волокна,

3 - пластины из вещества, ослабляющего рентгеновское излучение или гамма излучение: свинца, вольфрама, обедненного урана, железа.

4 - две пластины сцинтиллятора для регистрации гамма излучения и рентгеновского излучения,

5 - пластина из поглощающего тепловые нейтроны вещества, содержащего кадмий, гадолиний, изотоп лития ⁶Li, изотоп бора ¹⁰В,

6 - две пластины сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов,

На фиг.2 представлен фрагмент стержня с сечением a·b (a - ширина стержня, b - высота стержня), где 1 - сцинтиллирующие оптические стержни, 2 - спектросмещающие волокна.

Для повышения чувствительности датчика годоскопа пластины 3, 4, 5 и 6 размещены на всех шести гранях блока. Внутренняя и внешняя пластины 4 регистрируют как внешнее излучение, так и возникшие излучения внутри блока.

Внутренние пластины 6 необходимы для регистрации тепловых нейтронов, рожденных внутри блока, определения отношения сигналов от тепловых и быстрых нейтронов, для идентификации источника быстрых нейтронов.

Внешние пластины 6 позволяют обнаружить нейтронный источник либо тепловых нейтронов, либо быстрых нейтронов, замедлившихся в окружающей источник среде. Промежуточная пластина 5 экранирует внутреннюю пластину 6 от воздействия внешних тепловых нейтронов и обеспечивает правильность идентификации источника быстрых нейтронов в случае присутствия также внешних тепловых нейтронов.

Внутренние и внешние пластины 4, а также пластина 3 позволяют разделить гамма излучение, рожденное внутри блока и пришедшее извне. Кроме того, внешняя пластина 4 позволяет измерить энергию рентгеновского или гамма излучения и уточнить характеристики ядерного источника.

Наличие внешних пластин 4, 6 со всех сторон обеспечивает и определение направления на источник тепловых нейтронов или рентгеновского и гамма излучения по разности сигналов с противоположных пластин.

Различие счета (регистрации событий), вызванное наличием пластины 3, служит для обнаружения присутствия внешнего источника. Измерение энергии регистрируемого излучения по амплитуде люминесцентных вспышек способствует идентификации источника излучения.

Внутренняя пластина 6 для регистрации тепловых нейтронов регистрирует тепловые нейтроны, образовавшиеся внутри блока в результате замедлении быстрых нейтронов.

Внешняя пластина 6 для регистрации тепловых нейтронов регистрирует тепловые нейтроны, падающие на годоскоп извне, и служит для обнаружения внешнего источника тепловых нейтронов.

Спектросмещающие волокна 2 служат для сбора света от люминесцентных вспышек и выведения света на фотоприемники (фотодиоды), которые расположены на концах спектросмещающих волокон 2 (фотоприемники на фигурах не обозначены позицией).

В случае удаленных фотоприемников спектросмещающие волокна 2 стыкуют со светопроводящим волокном во избежание больших потерь света.

Сигнал с фотоприемников при включении детектора годоскопа к измерительным структурам поступает на схему совпадений и далее на электронное устройство сбора и анализа информации.

Сцинтиллирующие оптические стержни 1 выполнены из водородосодержащего вещества и служат одновременно как замедлителем быстрых нейтронов, так и их детектором. Быстрые нейтроны (поток ионизирующего излучения) замедляются в сцинтиллирующих оптических стержнях 1 и при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода теряют свою энергию, рождают протоны отдачи, которые и вызывают сцинтилляции.

Свет от сцинтилляционных вспышек распространяется по сцинтиллирующим оптическим стержням 1, собирается спектросмещающими волокнами 2 и передается на торцы спектросмещающих волокон 2, где расположены фотоприемники.

Фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов 6 и для регистрации гамма излучения и рентгеновского излучения 4 обеспечены выводами для соединения со схемами совпадений.

Схема совпадений, в частности, включает в себя двухканальный усилитель, два резистивных делителя напряжения для подбора напряжения питания в диапазоне 50-60 вольт независимо для каждого из двух фотоприемников и временные ворота. Использование временных ворот позволяет уменьшить количества ложных событий, регистрируемых стержнями 1 и пластинами 4, 6 устройства и обусловленных фоновым сигналом с фотоприемника. При временном окне 10-20 нс количество ложных событий может быть уменьшено до одного за 1000 с.

Для увеличения количества собираемого света (фотонов) сцинтиллирующие оптические стержни 1 покрыты светоотражающей оболочкой. Сигналы со схем совпадений поступают на вход контроллера, а после обработки на компьютер. Контроллер опрашивает выходные регистры схем совпадений, осуществляет первичную обработку полученной информации и передает ее в компьютер.

Схемы совпадений, контроллеры и центр обработки информации не являются предметом данной полезной модели.

Направление на источник определяется по направлению быстрейшего роста сигнала быстрых нейтронов и находится как вектор между областями блока, используемыми для регистрации быстрых нейтронов, симметричными относительно его центра.

Для идентификации источника используются заранее измеренные для различных источников быстрых нейтронов пространственные распределения сигнала быстрых нейтронов и величина S_т/S_б, являющаяся отношением интегральных сигналов S_т от тепловых и S_б от быстрых нейтронов, просуммированных по всем регистрирующим элементам, соответственно, для тепловых и быстрых нейтронов.

Результаты отношений интегральных сигналов S_т/S_б для различных типов источников излучений приведены в таблице.

Тип источникаS_т/S_б14MeV3,2E-02RaBe, PuBe2,2E-013MeV4,7E-01²⁵²Cf8,3E-01²³⁵U, ²³⁹Pu1

Предложенное изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, конкретно к исследованию или анализу предметов радиационными методами для обнаружения радиоактивных материалов и источников. Данное изобретение позволяет регистрировать как быстрые нейтроны, так и тепловые нейтроны, а также гамма- и рентгеновское излучение. Кроме того, оно позволяет идентифицировать излучение и определять направление на источник излучения. Предложенный детектор годоскопа содержит блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники. При этом сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде покрытых светоотражающей оболочкой стержней с прямоугольным сечением, скомпонованных в пакет, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. 2 ил., 1 табл.

Детектор годоскопа, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, отличающийся тем, что сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде покрытых светоотражающей оболочкой стержней с прямоугольным сечением a·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·a, где а - ширина стержня пакета, b - высота стержня пакета, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек.