СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 2011 года по МПК G01T3/06 

Заявляемое устройство относится к области детектирования быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также гамма-излучения. Оно пригодно для использования в стационарных комплексах и системах радиационного контроля, а также в переносных устройствах, предназначенных для обнаружения делящихся материалов (урана, плутония, калифорния и изделий из них), для радиационного обследования ядерных субмарин, подлежащих разборке, для решения задач Госатомнадзора и таможенного контроля по радиационному мониторингу, для служб дозиметрической и ядерной безопасности предприятий по переработке ядерного горючего, для служб по предотвращению акций ядерного терроризма.

Известен селективный детектор нейтронов (Селективный детектор нейтронов. Патент США №3688118, G01T 1/00, 1/20, 1972). Он содержит электронный блок информации и два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, а другой - только к заряженным частицам. Число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с датчиков, выделяемым с помощью электронного блока. Однако для датчика, чувствительного одновременно к заряженным частицам и нейтронам, эффективность регистрации нейтронов не может быть высокой. Известный детектор нейтронов не пригоден для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор СПС-Т4А (Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского физико-технического института, 1990). Датчик детектора представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации быстрых нейтронов. Детектор имеет следующие характеристики: длительность сцинтиимпульса, создаваемого нейтронами - 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 не пригоден для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор для измерения нейтронов и гамма-лучей (Патент США №4482808, G01T 3/06, 1984). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, 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 известный однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Описываемый детектор не обладает функциональными возможностями, необходимыми для одновременной регистрации быстрых и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации ионизирующего излучения (Детектор для регистрации ионизирующего излучения. Патент РФ №2088952. Бюл. №24. 27.08.1997). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. Датчик-сцинтиблок состоит из последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также α-, β-, γ-излучениям, и световода, изготовленного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также фотоэлектронного умножителя, преобразующего световые вспышки (сцинтилляции) в электрические сигналы. Блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него как от α-, β-, γ-сцинтиллятора Bi₄Ge₃O₁₂ (длительностью 300 нс), так и от сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода (с длительностью сцинтилляций 5-7 нс). Однако данный детектор, будучи чувствительным к быстрым нейтронам, не чувствителен к тепловым нейтронам и не пригоден для их регистрации. Известный сцинтилляционный детектор не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов и гамма-излучения (Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения. Патент РФ №2189057. Бюл. №25. 10.09.2002). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор, (n, α, γ)-конвертор из карбида или нитрида бора, сцинтилляционный кристалл NaI-Tl и фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки информации.

Однако такой детектор имеет целый ряд недостатков:

- эффективность фотосбора сцинтилляций, возникающих в пластике от быстрых нейтронов, невысока по целому ряду причин: (а) пластик соприкасается с фотоприемником (ФЭУ) не всей плоскостью, а только по периферийному кольцу; (б) площадь соприкосновения пластика с окном ФЭУ составляет 30-40% от площади окна, поэтому эффективность фотосъема не превышает 30-40% от фотосбора в режиме, когда сцинтиллятор соприкасался бы с ФЭУ всем своим рабочим торцом; (в) чехол (n, α, γ)-конвертора из карбида или нитрида бора является светонепроницаемым, и часть сцинтилляций, возникающих в пластике, поглощается в чехле и не доходит до ФЭУ, и следовательно, не регистрируется;

- стойкость к удару такого детектора понижена, из-за высокой гигроскопичности сцинтилляционного кристалла NaI-Tl;

- блок обработки сигналов известного детектора оказывается сложным из-за необходимости регистрации и обработки 4 групп сигналов, различающихся по длительности и амплитуде.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор нейтронов на основе пластика и ⁶Li-силикатного стекла (Детектор для регистрации ионизирующего излучения. Патент РФ №2143711. Бюл. №36. 29.12.1999). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. В состав датчика-сцинтиблока входят помещенные в единый корпус фотоэлектронный умножитель и три параллельно-последовательно соединенных сцинтиллятора: 1 - входной нейтронный сцинтиллятор, выполненный из чувствительного к быстрым нейтронам органического водородосодержащего вещества на основе пластмассы (СН)_n или стильбена (сцинтиллятор с колодцем), играющий одновременно роль входного замедлителя быстрых нейтронов до тепловых энергий; 2 - размещенный в колодце входного сцинтиллятора сцинтилляционный кристалл NaI-Tl в стандартном контейнере, чувствительный к гамма-излучению; 3 - чувствительный к тепловым нейтронам внутренний сцинтиллятор на основе активированного церием ⁶Li-силикатного стекла. Блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от двух нейтронно-чувствительных сцинтилляторов и от гамма-чувствительного сцинтиллятора, а также спектрометрический анализатор для обработки сцинтиимпульсов от сцинтилляционного кристалла NaI-Tl.

Однако известный детектор имеет целый ряд недостатков:

- эффективность фотосбора сигналов от быстрых нейтронов, возникающих в пластике (СН)_n, невысока из-за того, что сигналы, во-первых, поступают на фотоприемник (ФЭУ) только по периферийному кольцу, обеспечивая фотосъем сцинтилляций на уровне до 30-40% вследствие того, что кристалл NaI-Tl находится в непрозрачном корпусе и экранирует часть светового потока, возникающего в пластике, а во-вторых, вследствие того, что излучение быстрого пластикового сцинтиллятора не непосредственно попадает на ФЭУ, а поступает на него через стекло и частично поглощается в этом стекле, имеющем границу пропускания 350-380 нм, в результате чего может быть потеряно до 32-43% полезной информации;

- пониженная стойкость к ударным нагрузкам, поскольку детектор содержит сцинтилляционный кристалл NaI-Tl, отличающийся высокой гигроскопичностью, что повышает требования к герметизации.

Таким образом, известный детектор, хотя и позволяет обнаруживать как быстрые, так и тепловые нейтроны, не может обеспечить их эффективную регистрацию.

Задачей изобретения является разработка эффективного сцинтилляционного детектора для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также гамма-излучения.

Предлагаемое устройство - сцинтилляционный детектор обеспечивает регистрацию с повышенной эффективностью быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Блок-схема заявляемого устройства приведена на чертеже. Предлагаемое устройство состоит из датчика-сцинтиблока 1 и блока электронной обработки сигналов 2. В корпусе 3 датчика-сцинтиблока 1 размещен сцинтиллятор, представляющий собой сборку 4 из параллельно расположенных друг другу люминесцентных волокон из чувствительного к тепловым нейтронам материала на основе смешанного оксида гадолиния, иттрия и европия, причем сборка частично расположена внутри замедлителя нейтронов 5 из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, превышающим диаметр сборки (эта зона обозначена на чертеже символом «Б»), частично - внутри замедлителя нейтронов из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, равным диаметру сборки (эта зона обозначена на чертеже символом «П»), а частично - вне замедлителя (эта зона обозначена на чертеже символом «Т»). С одного торца сборки волокон в корпусе датчика-сцинтиблока расположено светоотражающее зеркало 6, с другого торца - светособирающая линза 7 и фотоэлектронный умножитель 8 (ФЭУ). Сигналы с датчика-сцинтиблока 1 (конкретно с ФЭУ 8) поступают на блок электронной обработки сигналов 2, обеспечивающий подсчет актов люминесценции внутри волокон и определение плотности потока нейтронов, попадающих в датчик-сцинтиблок.

Сущность изобретения заключается в том, сцинтиллятор датчика-сцинтиблока детектора выполнен в виде сборки 4 параллельно расположенных друг другу люминесцентных волокон из чувствительного к тепловым нейтронам материала на основе смешанного оксида гадолиния, иттрия и европия, с одного торца которой в корпусе датчика-сцинтиблока дополнительно расположено светоотражающее зеркало 6, с другого торца - светособирающая линза 7, обеспечивающая фокусировку света люминесценции волокон сборки 4 на фотокатод фотоэлектронного умножителя 8, а сам волоконный сцинтиллятор расположен частично внутри замедлителя нейтронов 5 из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, превышающим диаметр сборки, частично - внутри замедлителя нейтронов 5 из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, равным диаметру сборки, и частично - вне замедлителя 5.

Предлагаемое устройство содержит эффективно взаимодействующий с тепловыми нейтронами сцинтиллятор, состоящий из материала на основе смешанного оксида гадолиния, иттрия и европия с химической формулой типа (Gd_1-x-yY_xEu_y)₂O₃, где х+y<1 (х и y много меньше единицы). Высокая эффективность взаимодействия материала сцинтиллятора с тепловыми нейтронами обусловлена аномально большим сечением радиационного захвата тепловых нейтронов у гадолиния (составляющего основу материала сцинтиллятора): (σ_γ=49000 барн для естественной смеси изотопов, σ_γ=254000 барн - для изотопа ¹⁵⁷Gd. Эти сечения заметно превосходят таковые для наиболее часто используемых для регистрации тепловых нейтронов ядер ³He, ⁶Li и ¹⁰В. В результате взаимодействия теплового нейтрона с гадолинием формируется гамма-квант, возбуждающий люминесцентные центры на базе ионов европия, также входящих в состав материала сцинтиллятора. Добавка иттрия обеспечивает более эффективную люминесценцию ионов европия и стабилизирует кубическую структуру сложного оксида (Gd_1-x-yY_xEu_y)₂O₃. Использование в качестве сцинтиллятора сборки волокон 4 обеспечивает высокий уровень светосбора сцинтилляций. Задаче повышения светосбора служат также устанавливаемое на одном из торцов сборки волокон светоотражающее зеркало 6 и устанавливаемая на другом торце сборки волокон светособирающая линза 7, обеспечивающая фокусировку света люминесценции волокон сборки на фотокатоде фотоэлектронного умножителя 8.

Среди особенностей работы детектора отметим, что люминесцентные материалы, в которых в качестве люминесцентных центров используются ионы европия, обладают красным свечением (около 610 нм), что позволяет эффективно использовать для регистрации люминесценции не только ФЭУ, но и полупроводниковые фоторегистраторы (последнее является дополнительным преимуществом предлагаемого технического решения). Длительное послесвечение (τ≈2 мс) этих материалов предполагает, что фоторегистратор и блок электронной обработки сигналов работают в режиме счета однофотонных релаксаций. Решение о наличии или отсутствии источника нейтронов принимается на основании контроля изменения скорости счета.

Благодаря замедлителю нейтронов из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с переменным диаметром (на одном участке, обозначенном на чертеже символом «Б», - большим диаметра сборки, а на другом участке, обозначенном на чертеже символом «П», - равным диаметру сборки) обеспечивает эффективное замедление быстрых нейтронов (на участке, обозначенном на чертеже символом «Б») и нейтронов промежуточных энергий (на участке, обозначенном на чертеже символом «П») до тепловых энергий. На участке, обозначенном на чертеже символом «Т», замедления нет. Тем самым обеспечивается регистрация любых типов нейтронов, т.е. обеспечивается «всеволновой» режим работы детектора.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного детектора нейтронов является его способность регистрировать гамма-излучение, сопутствующее нейтронному излучению делящихся материалов и изделий из них. Такая возможность обусловлена достаточно высокой чувствительностью материала сцинтиллятора на основе сложного оксида гадолиния, иттрия и европия к гамма-излучению делящихся материалов за счет высокого эффективного зарядового номера. Гамма-сцинтплляции имеют практически тот же спектр и длительность, что и сцинтилляции от нейтронов. Они регистрируются блоком электронной обработки сигналов, работающим в счетном режиме, и проявляются как добавка к скорости счета от нейтронов. Это повышает обнаружительную способность детектора при поиске делящихся материалов (урана, плутония, калифорния и др.) и изделий из них, поскольку при этом обеспечивается их обнаружение сразу по двум характерным для них излучениям: нейтронному и гамма-излучению.

Изобретение предназначено для детектирования быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также гамма-излучения. В устройстве, состоящем из датчика-сцинтиблока, включающего замедлитель нейтронов из водородосодержащего вещества, сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель, и блока электронной обработки сигналов, сцинтиллятор выполнен в виде сборки параллельно расположенных друг другу люминесцентных волокон из чувствительного к тепловым нейтронам материала на основе смешанного оксида гадолиния, иттрия и европия, с одного торца которой в корпусе датчика-сцинтиблока дополнительно расположено светоотражающее зеркало, с другого торца - светособирающая линза, обеспечивающая фокусировку света люминесценции волокон сборки на фотокатоде фотоэлектронного умножителя, а сам волоконный сцинтиллятор расположен частично внутри замедлителя нейтронов из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, превышающим диаметр сборки, частично - внутри замедлителя нейтронов из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, равным диаметру сборки, и частично - вне замедлителя. Технический результат - эффективная регистрация как быстрых, так и тепловых нейтронов, а также одновременная регистрации гамма-излучения, сопутствующего нейтронному излучению делящихся материалов. 1 ил.

Сцинтилляционный детектор нейтронов, состоящий из датчика-сцинтиблока, включающего замедлитель нейтронов из водородосодержащего вещества, сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель, и блока электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде сборки параллельно расположенных друг другу люминесцентных волокон из чувствительного к тепловым нейтронам материала на основе смешанного оксида гадолиния, иттрия и европия, с одного торца которой в корпусе датчика-сцинтиблока дополнительно расположено светоотражающее зеркало, с другого торца - светособирающая линза, обеспечивающая фокусировку света люминесценции волокон сборки на фотокатоде фотоэлектронного умножителя, а сам волоконный сцинтиллятор расположен частично внутри замедлителя нейтронов из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, превышающим диаметр сборки, частично - внутри замедлителя нейтронов из водородосодержащего вещества в форме цилиндра или шестиугольной призмы с диаметром, равным диаметру сборки, и частично - вне замедлителя.