ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений, особо к области дозиметрии нейтронов, включая нейтроны спектра деления, а также для дозиметрии и спектрометрии гамма- и рентгеновского излучений в диапазоне энергий от единиц килоэлектронвольт до ˜1,5 МэВ и пригодно для использования в комплексах и системах дистанционного и контактного радиационного контроля, предназначенных для обнаружения делящихся материалов (урана, плутония) и радиоактивных веществ, определения их местоположения и изотопного состава, для радиационного мониторинга территорий и объектов, для радиационного обследования ядерных субмарин, подлежащих разборке, для решения задач госатомнадзора, таможенного контроля, для служб дозиметрической и ядерной безопасности атомных электростанций и предприятий по переработке ядерного топлива.

Известные детекторы ионизирующих излучений содержат, как правило, сенсорный датчик и блок электронной обработки сигналов. В качестве сенсорных датчиков используют сцинтилляторы, ионизационные счетчики или полупроводниковые детекторы.

Известен детектор нейтронов сцинтилляционного типа с датчиком на базе сцинтилляционных кристаллов ⁶LiI:Eu (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий / Ю.К.Акимов. М.: МГУ, 1963). Известный детектор чувствителен к тепловым нейтронам. Однако он непригоден для одновременной регистрации и спектрометрии гамма- и рентгеновского излучений с высоким энергетическим разрешением, с его помощью нельзя идентифицировать радиоактивные вещества, включая продукты распада делящихся материалов.

Известен детектор нескольких излучений (Детектор нескольких излучений. Заявка ЕВП (ЕР) №0311503, G01T 1/00, 1/20, 1989). Он включает два сцинтилляционных датчика с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой - к низкоэнергетическому, и электронный оптический блок регистрации, выделяющий сигналы от датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов. Такой детектор имеет ограниченные области применения, он пригоден для регистрации рентгеновского излучения с двумя различными энергиями, однако он не пригоден для регистрации нейтронов и одновременно спектрометрии мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона, требующей высокого энергетического разрешения, что необходимо для идентификации продуктов распада делящихся материалов (например, америция, нептуния и др.).

Известен всеволновой детектор нейтронов (Иванов В.И. Курс дозиметрии / В.И.Иванов. М.: Энергоатомиздат, 1988, 399 с.), датчик которого состоит из ³Не-счетчиков, чувствительных к тепловым нейтронам, и замедлителя нейтронов (парафин). Однако такой детектор непригоден для одновременной регистрации нейтронов и гамма-излучения, непригоден для спектрометрии мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона, непригоден для идентификации продуктов распада делящихся материалов (например, америция, нептуния и др.).

Известен детектор (Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского физико-технического института, 1990), датчик которого представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации гамма-излучения и быстрых нейтронов. Детектор имеет следующие характеристики: длительность сцинтиимпульса, создаваемого нейтроном или гамма-квантом - 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 непригоден для спектрометрии мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона, требующей высокого энергетического разрешения, непригоден для идентификации продуктов распада делящихся материалов (например, америция, нептуния и др.).

Известен детектор надтепловых нейтронов (Пат 4241253 США, G01T 3/00, 1980), который содержит датчик тепловых нейтронов, защиту от тепловых нейтронов, окружающую этот датчик; замедлитель надтепловых нейтронов, которые проникают через защиту, с тем чтобы эти нейтроны легче поглощались счетчиком. Толщина замедлителя и отношение диаметра счетчика к внешнему диаметру замедлителя таковы, что обеспечивается максимальная скорость счета, которую можно получить, когда счетчик полностью заполняет внутренний диаметр защиты от тепловых нейтронов. Однако известный детектор не позволяет регистрировать гамма-излучение, не позволяет обеспечить спектрометрию мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона, непригоден для идентификации продуктов распада делящихся материалов (например, америция, нептуния и др.).

Известен детектор нейтронов и гамма-лучей (Пат. 4482808 США, G01T 3/06, 1984). Детектор содержит датчик, 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 любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронов и гамма-лучей, поскольку не обладает достаточно высокой чувствительностью, избирательностью и необходимыми функциональными возможностями. Известный детектор непригоден для спектрометрии мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона, непригоден для идентификации продуктов распада делящихся материалов (например, америция, нептуния и др.).

Известен детектор мягкого гамма- и рентгеновского излучения на основе особо чистого германия (проспект фирмы Canberra. Germanium Detectors). Однако он функционирует только при температуре жидкого азота, не отвечает требованиям компактности, поскольку в состав детектора входит азотный криостат и, кроме того, он не позволяет одновременно с гамма- и рентгеновским излучением регистрировать нейтронное излучение.

Из всех известных детекторов для регистрации ионизирующих излучений наиболее близким к заявляемому является детектор, описанный в патенте (Пат. 2088952 РФ, опубл. 27.08.97, бюл. 24). Известный детектор содержит сенсорный датчик и блок электронной обработки сигналов; датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂, чувствительного к рентгеновскому и гамма-излучениям, и световода, выполненного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, фотоэлектронного умножителя, преобразующего световые вспышки (сцинтилляции) в электрические сигналы, а блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него от сцинтиллятора Bi₄Ge₃O₁₂ и сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода, изготовленного из стильбена или пластмассы (СН)_n. Известный детектор отвечает требованиям компактности, функционирует при комнатной температуре, однако он не позволяет проводить спектрометрию гамма- и рентгеновского излучений с высоким энергетическим разрешением. Энергетическое разрешение сцинтилляционных кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ составляет 15-20%, что совершенно недостаточно для спектрометрии мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона и идентификации продуктов распада делящихся материалов (например, америция, нептуния и др.).

Задачей изобретения является разработка компактного, работающего при комнатной температуре детектора ионизирующих излучений, пригодного для дистанционного обнаружения и регистрации нейтронного и гамма-излучения, а также для регистрации и спектрометрии мягкого гамма- (до 1,5 МэВ) и рентгеновского излучения (контактный спектрометрический режим контроля) с высоким энергетическим разрешением (˜0,3% по линии Cs-137 - 662 кэВ), необходимым для надежной идентификации радиоактивных веществ, делящихся материалов и продуктов их распада (например, америция, нептуния и др.).

Для решения поставленной задачи предлагается детектор, содержащий сенсорный датчик и блок электронной обработки сигналов, в котором сенсорный датчик детектора содержит размещенные в едином корпусе полупроводниковый спектрометрический блок для регистрации и спектрометрического анализа мягкого гамма- и рентгеновского излучения, работающий в режиме контактного контроля при комнатной температуре, и сцинтилляционный счетный блок для дистанционного обнаружения и регистрации нейтронов и гамма-излучения, причем полупроводниковый блок включает полупроводниковый детектор на основе теллурида кадмия CdTe и коллиматор, размещенные в едином контейнере, укрепленном на держателе с шаровым шарниром с дистанционным управлением; сцинтилляционный блок обнаружения и регистрации дополнительно содержит гадолиниевый коллиматор - поглотитель фоновых тепловых нейтронов, бериллиевый отражатель-накопитель тепловых нейтронов, сцинтилляционный модуль-замедлитель из сцинтиллирующей водородсодержащей пластмассы (СН)_n, или стильбена, или антрацена для регистрации быстрых нейтронов и/или гамма-излучения, сцинтилляционный модуль на основе ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного церием, для регистрации тепловых нейтронов и гамма-излучения, и фотоэлектронный умножитель, а блок электронной обработки сигналов содержит спектрометрический канал для обработки сигналов с полупроводникового спектрометрического блока с анализатором высокого разрешения, счетный канал для обработки сигналов со сцинтилляционного блока, обеспечивающий подсчет нейтронов и/или гамма-квантов, и блок управления детектором.

Схема предлагаемого устройства, раскрывающая его сущность, приведена на чертеже.

В состав устройства входит датчик с размещенными в корпусе 1 полупроводниковым блоком для регистрации гамма- и рентгеновского излучения, включающего в себя полупроводниковый спектрометрический блок на основе теллурида кадмия с холодильником Пельтье 2 с коллиматором 3 в контейнере 4, закрепленном на дистанционно управляемом шаровом шарнире 5 с держателем 6; сцинтилляционный блок для обнаружения и регистрации нейтронов и гамма-излучения, включающий в себя гадолиниевый коллиматор-поглотитель фоновых нейтронов 7, бериллиевый отражатель-накопитель 8, сцинтилляционный модуль-замедлитель 9 для регистрации быстрых нейтронов, выполненный из водородсодержащей пластмассы (СН)_n или стильбена, или антрацена, сцинтилляционный модуль 10 на основе ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного церием, для регистрации тепловых нейтронов и/или гамма-излучения, и фотоэлектронный умножитель 11, а также блок электронной обработки сигналов 12, содержащий спектрометрический канал для обработки сигналов с полупроводникового спектрометрического блока с анализатором высокого разрешения (для спектрометрии мягкого гамма-излучения и излучения рентгеновского диапазона), счетный канал для счета нейтронов и гамма-квантов и блок управления детектором.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Дистанционное обнаружение делящихся материалов и радиоактивных веществ осуществляют по их нейтронному и/или гамма-излучению с помощью сцинтилляционного счетного блока детектирования. При этом детектор работает в дистанционном режиме. Быстрые нейтроны от обнаруживаемого источника излучения регистрируются водородсодержащим сцинтилляционным модулем-замедлителем 9, который одновременно является замедлителем быстрых нейтронов, замедляя их до тепловых энергий. Замедленные до тепловых энергий нейтроны регистрируются сцинтилляционным модулем 10 на основе ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного церием, за счет ядерной реакции (n, α) тепловых нейтронов с ядрами изотопа ⁸Li. Гадолиниевый коллиматор 7 поглощает фоновые тепловые нейтроны, что повышает отношение сигнал/шум. Бериллиевый отражатель-накопитель 8 формирует «нейтронную баню», т.е. возвращает (неоднократно) рассеянные нейтроны в рабочий объем сцинтилляционного модуля 10, где они в конце концов регистрируются. Использование бериллиевого отражателя повышает чувствительность детектора. Возникающие в сцинтилляционных модулях 9 и 10 сцинтилляционные вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем, сигналы с которого поступают в счетный канал блока электронной обработки сигналов 12. Стеклянный сцинтилляционный модуль 10 прозрачен для световых вспышек, возникающих в сцинтилляционном модуле-замедлителе 9. Фотоэлектронный умножитель 11 регистрирует световые вспышки от сцинтилляционных модулей 9 и 10 одновременно, что повышает эффективность обнаружения делящихся материалов и радиоактивных веществ.

Сцинтилляционный счетный блок одновременно с нейтронами регистрирует испускаемые радиоактивными веществами гамма-кванты, которые также, как и нейтроны, вызывают световые вспышки в сцинтилляционных модулях 9 и 10, которые также регистрируются фотоэлектронным умножителем 11, сигналы с которого обрабатываются в счетном канале блока электронной обработки сигналов 12.

В контактном режиме предлагаемый детектор используют для идентификации делящихся материалов и радиоактивных веществ путем проведения спектрометрического анализа испускаемых гамма-квантов и квантов рентгеновского излучения с помощью полупроводникового спектрометрического блока на основе кристалла теллурида кадмия CdTe с высоким энергетическим разрешением на уровне долей процента в диапазоне энергий от единиц кэВ до 1,5 МэВ. Полупроводниковый блок на основе кристалла теллурида кадмия работает при комнатной температуре с Пельтье холодильником, который охлаждает кристалл теллурида кадмия до температуры минус 30°С, что обеспечивает его высокое энергетическое разрешение на уровне ˜0,3% по линии Cs-137 - 662 кэВ. С помощью CdTe-полупроводникового спектрометрического блока гамма-кванты и кванты рентгеновского излучения, испускаемые делящимся материалом, например, ²³⁵U (Е_γ=143 и 185 кэВ), ²³⁹Pu (Е_γ=60, 215 и 393 кэВ) и/или продуктами их распада, например ²⁴²Am (Еγ=60 кэВ), могут быть однозначно идентифицированы. Сигналы с полупроводникового спектрометрического блока поступают в спектрометрический канал с анализатором высокого разрешения блока обработки сигналов. Коллиматор 3 и шарнирное соединение 5 с дистанционным управлением обеспечивают возможность направленной регистрации излучения. Управление шарниром осуществляет блок управления детектором, входящим в состав блока электронной обработки сигналов. Блок управления детектором обеспечивает также питание полупроводникового спектрометрического блока и фотоэлектронного умножителя сцинтилляционного счетного блока.

Предлагаемое устройство обеспечивает дистанционное обнаружение и регистрацию нейтронов и гамма-излучения в счетном режиме, и спектрометрию мягкого гамма- и рентгеновского излучений с высоким энергетическим разрешением в контактном режиме регистрации. Последнее позволяет достоверно идентифицировать продукты распада делящихся материалов и изотопный состав регистрируемых радиоактивных веществ.

Предлагаемый детектор отвечает требованиям компактности, его рабочей температурой эксплуатации является комнатная температура. Дополнительным преимуществом предлагаемого детектора является возможность дистанционного выбора направления регистрации спектрометрического полупроводникового блока с помощью дистанционного управления шарниром.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для дистанционного обнаружения и контактной идентификации радиоактивных веществ. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата детектор содержит сенсорный датчик и блок электронной обработки сигналов. Сенсорный датчик содержит полупроводниковый спектрометрический блок для регистрации и спектрометрического анализа мягкого гамма- и рентгеновского излучения. Полупроводниковый спектрометрический блок включает полупроводниковый детектор на основе теллурида кадмия и коллиматор. Сцинтилляционный блок обнаружения и регистрации дополнительно содержит гадолиниевый коллиматор-поглотитель фоновых тепловых нейтронов, бериллиевый отражатель-накопитель тепловых нейтронов, сцинтилляционный модуль-замедлитель из сцинтиллирующей водородсодержащей пластмассы. 1 ил.

Детектор для регистрации ионизирующих излучений, содержащий сенсорный датчик и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что сенсорный датчик содержит размещенные в едином корпусе полупроводниковый спектрометрический блок для регистрации и спектрометрического анализа мягкого гамма- и рентгеновского излучения, работающий в режиме контактного контроля при комнатной температуре, и сцинтилляционный счетный блок для дистанционного обнаружения и регистрации нейтронов и гамма-излучения, причем полупроводниковый спектрометрический блок включает полупроводниковый детектор на основе теллурида кадмия CdTe и коллиматор, размещенные в едином контейнере, укрепленном на держателе с шаровым шарниром с дистанционным управлением; сцинтилляционный блок обнаружения и регистрации дополнительно содержит гадолиниевый коллиматор-поглотитель фоновых тепловых нейтронов, бериллиевый отражатель-накопитель тепловых нейтронов, сцинтилляционный модуль-замедлитель из сцинтиллирующей водородсодержащей пластмассы (СН)_n, или стильбена, или антрацена для регистрации быстрых нейтронов и/или гамма-излучения, сцинтилляционный модуль на основе ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного церием, для регистрации тепловых нейтронов и/или гамма-излучения, и фотоэлектронный умножитель, а блок электронной обработки сигналов содержит спектрометрический канал обработки сигналов с полупроводникового спектрометрического блока с анализатором высокого разрешения, счетный канал для обработки сигналов со сцинтилляционного счетного блока и блок управления детектором.