КОЛЛИМАТОР Российский патент 2009 года по МПК G21K1/02 

Изобретение относится к области нейтронной физики, неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов.

Известно устройство для измерения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей, содержащее наружный кадмиевый экран.

Устройство содержит съемные поглотители нейтронов и кольцевой кадмиевый коллиматор-держатель съемных поглотителей. Внутри коллиматора-держателя между каждой парой окон установлен съемный поглотитель, а коллимирующие окна и наружный кадмиевый экран образуют формирователи коллимированных направленных пучков тепловых нейтронов.

В устройстве в качестве съемных поглотителей использованы таблетки из бора, размещаемые в кадмиевом коллиматоре-держателе посередине между окнами, имеющие одинаковую поглощающую способность тепловых нейтронов. Патент Российской Федерации №1752079, МПК: G01T 3/00, 1995.

Известен двухслойный коллиматор, выполненный из водородосодержащего замедлителя нейтронов (полиэтилен) - внешний слой коллиматора и кадмиевого поглотителя тепловых нейтронов - внутренний слой коллиматора. Патент Российской Федерации №2158011, МПК: G01T 1/20, G01T 3/06, 2000.

Известен облучатель, содержащий коллиматор тепловых нейтронов, внутренняя поверхность которого облицована материалом с большим сечением рассеяния тепловых нейтронов, например, полиэтиленом, и имеет форму усеченного конуса, фильтр для очистки пучка тепловых нейтронов от гамма-квантов и диафрагму для регулирования диаметра пучка тепловых нейтронов. Замедлитель выполнен из бериллия или графита. В отверстии биологической защиты для вывода тепловых нейтронов расположен коллиматор. Длина оси коллиматора составляет не менее 50 см. Патент Российской Федерации №2252798, МПК: A61N 5/10, 2005.

Известна установка для нейтронно-радиационного анализа, включающая корпус, радиационную защиту с камерой, образованной установленными в шахте нижним и боковыми отражателями нейтронов в виде пластин, размещенный в полости радиационной защиты напротив камеры формирователь потока тепловых нейтронов. Отражатели нейтронов выполнены из неподвижных элементов и одного подвижного элемента с приводом. Средство перемещения контролируемого предмета выполнено в виде рамы и снабжено отражателем нейтронов, установленным на раме в плоскости, перпендикулярной продольной оси горизонтальной шахты. Патент Российской Федерации №2280248, МПК: G01N 23/222, 2006.

Известно рентгеновское устройство, содержащее источник излучения, средство для размещения образца, коллиматор, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченного конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы. Патент Российской Федерации №2239822, МПК: G01N 23/04, 2004. Прототип.

Известные устройства обеспечивают высокий уровень радиационной безопасности, но при этом характеризуются сложностью конструкции и имеют весьма существенные массу и габариты.

Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения.

Задачей изобретения является повышение коэффициента преобразования быстрых нейтронов в тепловые и повышение плотности потока тепловых нейтронов в месте расположения исследуемых объектов.

Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента преобразования первичных нейтронов, повышение плотности потока тепловых нейтронов на облучаемых образцах до максимально возможной плотности.

Технический результат достигается тем, что в коллиматоре, выполненном в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, меньшее основание коллиматора примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора, примыкающий к конвертеру-отражателю блока-замедлителя в месте расположения выходного канала, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния и кадмия.

Внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены слои гадолиния и кадмия.

Слой полиэтилена с образованием полости набран из отдельных элементов для изменения ее размеров от 5×5×5 см до 10×10×10 см.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 схематично представлен разрез устройства в горизонтальной плоскости, где: 1 - источник быстрых нейтронов (изотопный источник или нейтронный генератор); 2 - блок-замедлитель быстрых нейтронов из полиэтилена в виде полого куба размером 20×20×20 см; 3 - полость блока-замедлителя с размерами от 5×5×5 см до 10×10×10 см; 4 - конвертер из вольфрама площадью 15×15 см и толщиной 2 см; 5 - конвертер-отражатель из свинца толщиной 20 см; 6 - слой защиты, расположенный на блоке-замедлителе, из висмута толщиной 10 см от гамма-излучения; 7 - слой защиты, расположенный на блоке-замедлителе, из борированного полиэтилена толщиной 16 см для поглощения тепловых и быстрых нейтронов; 8 - дополнительная защита из свинца толщиной 20 см; 9 - слой защиты коллиматора из борированного полиэтилена размером 1,5×1,5×0,5 м; 10 - слой защиты коллиматора из висмута размером 120×80×25 см; 11 - коллиматор для тепловых нейтронов выполнен в виде канала в форме усеченной пирамиды, верхнее основание которой (размером 12×12 см) примыкает непосредственно к выходному каналу 3 блока-замедлителя 2. Нижнее основание имеет размеры (30×40 см).

Внутренняя часть коллиматора покрыта слоем гадолиния. Длина коллиматора 11, включая длину полости 3 в блоке - замедлителе 2, составляет 1,5 м. Между слоями 8, 9, 10 защиты коллиматора установлены слои гадолиния толщиной 0,2 мм и кадмия толщиной 0,6 мм. Внешняя поверхность защиты также покрыта слоями гадолиния и кадмия.

На фиг.2 приведено экспериментальное распределение плотности потока тепловых нейтронов f_т для сплошного блока-замедлителя 2 размером 30×30×30 см и 50×50×50 см вдоль оси, совпадающей с осью блока-замедлителя 2, и результаты теоретического расчета, где: 1 - размер 30×30×30 см; 2 - размер 50×50×50 см; 3 - расчет для замедлителя 30×30×30 см. Как видно из приведенных зависимостей максимум f_т находится в районе 4 см от источника первичных нейтронов и незначительно увеличивается с увеличением размера блока-замедлителя 2. Расчетные данные удовлетворительно совпадают с экспериментальными результатами.

На фиг.3 приведено распределение плотности потока тепловых нейтронов f_т вдоль оси блока-замедлителя 2 размером 20×20×20 см при различных толщинах конвертера 4 из вольфрама (толщины: 1 - 0.5 см; 2 - 1 см; 3 - 2 см; 4 - 3 см; 5 - 4 см).

Оптимальным является вольфрамовый конвертер 4 размером 15×15×2 см. Применение конвертера 4 повышает долю тепловых нейтронов.

На фиг.4 представлена зависимость величины кадмиевого отношения R_Cd в замедлителе из полиэтилена размером 20×20×20 см и свинцового конвертера-отражателя 5 толщиной 10 см от расстояния до источника. При расстоянии от источника в диапазоне от 2,5 см до 20 см величина кадмиевого отношения R_Cd изменялась от 25 до 55 без конвертера-отражателя 5 и от 25 до 80 с конвертером-отражателем 5.

В области максимума распределения плотности потока тепловых нейтронов f_т величина кадмиевого отношения R_Cd составляет 60-70.

На Фиг.5 приведено распределение f_т внутри замедлителя без канала вывода (кривая 1) и на дне канала вывода (кривая 2). Как видно из приведенных данных, распределение f_т в канале практически равномерно. Зависимость распределения плотности потока тепловых нейтронов f_т в замедлителе с вольфрамовым конвертером (2 см): кривая 1 - без канала вывода; кривая 2 - с каналом вывода.

На фиг.6 представлены расчетные спектры нейтронов на выходе коллиматора (в центре, кривая 1) и на торцевой поверхности защиты (на расстоянии 20 см от его оси, кривая 2).

На фиг.7 представлено распределение плотности потока нейтронов в центре на выходе коллиматора и на поверхности защиты на различных расстояниях от оси коллиматора для следующих энергетических интервалов: 0-0,025 эВ - кривая 1; 0,4-100 эВ - кривая 2; 0,1-100 кэВ - кривая 3; 0,1-11 МэВ - кривая 4; 11-14 МэВ - кривая 5.

Коллиматор работает следующим образом. Быстрые нейтроны источника 1 излучаются в полный телесный угол. Значительная их часть попадает в вольфрамовый конвертер 4. Конвертер 4 расположен между источником быстрых нейтронов 1 и слоем полиэтилена в блоке-замедлителе 2. Экспериментальные исследования показали, что площадь конвертера 4 должна быть не менее 15×15 см и толщиной 2 см.

Для использования в качестве конвертеров 4 эффективны материалы: Be, W, Pb и U. В данном устройстве использован конвертер из вольфрама. При прохождении быстрых нейтронов через вольфрамовый конвертер 4 происходит неупругое рассеяние быстрых нейтронов, при котором в результате одного акта рассеяния нейтрон теряет энергию, что позволяет уменьшить размер полиэтиленового блока-замедлителя 2. Одновременно возникает реакция (n, 2n), сечение которой для большинства изотопов вольфрама составляет около 2 барн. Это приводит к размножению нейтронов и уменьшению их энергии.

Быстрые нейтроны попадают в полиэтиленовый блок-замедлитель 2, в котором испытывают столкновения с ядрами водорода. В результате столкновения быстрые нейтроны замедляются до энергии 0,07 эВ, близкой к энергии тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны, рожденные в полиэтиленовом блоке-замедлителе 2, пронизывают полость 3 блока-замедлителя 2 и сталкиваются с материалом конвертера-отражателя 5. При этом они частично испытывают отражение обратно в блок-замедлитель 2. Дополнительно, конвертер-отражатель 5 преобразует не замедлившиеся еще быстрые нейтроны за счет реакции (n, 2n), как и в конвертере 4 около источника быстрых нейтронов 1.

Тепловые нейтроны, не испытавшие отражение от стенок конвертера-отражателя 5, вытекают наружу и поглощаются в основном в слое защиты 7 из борированного полиэтилена. Частично тепловые нейтроны поглощаются внутри блока-замедлителя 2 в результате неупругого рассеяния на водороде.

Гамма-излучение, возникающее в результате неупругого рассеяния тепловых нейтронов в блоке-замедлителе 2, ослабляется в конвертере-отражателе 5 и дополнительно в слое защиты 6 из висмута. Слой защиты 6 из висмута позволяет уменьшить выходящее из источника фоновое гамма излучение, так как, в отличие от свинца, количество рожденных в нем гамма-квантов из-за неупругого рассеяния быстрых нейтронов, примерно, в 10 раз меньше, чем в свинце.

Поток тепловых нейтронов выходит из блока-замедлителя 2 и попадает в коллиматор 11, на выходе которого расположен исследуемый объект. Для уменьшения рассеяния тепловых нейтронов внутренняя поверхность коллиматора 11 покрыта прослойкой гадолиния толщиной 0,1 мм.

Использование: для неразрушающих методов контроля. Сущность: заключается в том, что коллиматор выполнен в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, при этом меньшее основание коллиматора примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора из свинца, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния и кадмия. Технический результат: повышение плотности потока тепловых нейтронов. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Коллиматор, выполненный в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, отличающийся тем, что меньшее основание коллиматора примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора из свинца, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния и кадмия.

2. Коллиматор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния и кадмия.

3. Коллиматор по п.1 или 2, отличающийся тем, что слой полиэтилена с образованием полости набран из отдельных элементов для изменения ее размеров от 5×5×5 см до 10×10×10 см.