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

Изобретение относится к твердотельному детектору нейтронов для детектирования нейтронов при наличии существенного γ-излучения, а также рентгеновского и/или β-излучения.

Измерение и подсчет нейтронов является очень важной задачей. Нейтроны испускаются, например, определенными ядерными материалами, наподобие реакторного и/или оружейного плутония, при этом такие вещества часто не испускают другое излучение, которое может проникать через толстую оболочку. Поэтому детектирование нейтронов может указать или даже подтвердить наличие таких ядерных материалов.

Согласно стандартам ANSI портативные устройства для идентификации нуклидов, которые используются, например, на пограничных пропускных пунктах, должны включать в себя детектор нейтронов. Измерение нейтронов также является важным в дозиметрии, проводимой в лабораториях и на ядерных установках.

Поскольку нейтроны не ионизируют вещество, все известные детекторы нейтронов основаны на реакциях между нейтроном и другим нуклидом, генерируя таким образом вторичные заряженные частицы или γ-излучение. Поэтому стандартный процесс детектирования обычно состоит из двух этапов: конверсии нейтронов, которая представляет собой генерацию вторичного излучения в среде конвертера, например с помощью рассеяния нейтронов или индуцированных нейтронами реакций, подобных ядерному делению, прямых ядерных реакций, захвата нейтронов с последующим γ-излучением или излучением заряженных частиц и т.п. Затем эту вторичную радиацию измеряют с помощью обычных детекторов ядерного излучения в "среде детектирования".

В случае детектирования нейтронов оба процесса могут быть пространственно разделенными, т.е. среды конвертера и детектирования являются разными, или могут не быть пространственно разделенными, а именно, когда среда конвертера является также и средой детектирования.

Среда детектирования обязательно должна быть чувствительной к ионизирующему излучению. Следовательно, если необходимо проводить детектирование нейтронов в смешанных областях, например в среде с повышенным γ-излучением, важное значение имеет способность выделения нейтронного сигнала на фоне других сигналов. Поэтому детекторы нейтронов в портативных устройствах идентификации изотопов не должны детектировать γ-излучение любого возможно присутствующего радионуклида. Даже в случае сильного источника γ-излучения, γ-излучение не должно генерировать ложные нейтронные сигналы.

Самый обычный детектор тепловых нейтронов, применяемый практически во всех областях, где главным является надежность, представляет собой пропорциональный счетчик, заполненный газом ³Не. ³Не является одновременно и средой конвертера, и средой детектирования.

Большим недостатком детекторов такого типа является эффективность детектирования нейтронов, которая примерно пропорциональна произведению объема на давление газа. Поэтому такой детектор либо должен иметь большой объем, либо газ должен находиться под высоким давлением. Как следствие, детектор либо не может быть использован в портативных устройствах идентификации из-за своего большого объема, либо возможность транспортировки такого портативного устройства ограничена, поскольку необходимо соблюдать инструкции по транспортировке устройств под высоким давлением, например при транспортировке в самолете.

В принципе, детекторы нейтронов с твердыми средами конвертера являются более подходящими с точки зрения эффективности детектирования на единицу объема, при этом отсутствуют какие-либо проблемы, связанные с устройствами, содержащими газ под высоким давлением. Такие детекторы с твердыми средами часто представляют собой кристаллы-сцинтилляторы, содержащие литий (⁶Li), кадмий (Cd), бор (10В) или другие конвертеры нейтронов. Такой кристалл-сцинтиллятор называется "нейтронным сцинтиллятором". Такой нейтронный сцинтиллятор может представлять собой, например, ⁶LiI(Еu), как описано у Knoll, Radiation Detection and Mesurement, 3^rd Edition 2000, p.517.

В таком кристалле ⁶Li захватывает тепловой нейтрон, генерируя таким образом ион трития (³Н) и α-частицу с общей энергией, равной примерно 4,8 МэВ. Из-за относительно малого времени высвечивания этого кристалла ⁶LiI(Eu) световые сигналы после захвата нейтронов соответствуют сигналам, которые могли бы быть сгенерированы γ-излучением с энергией, превышающей 3 МэВ.

Поскольку все релевантные радионуклиды не испускают γ-излучение с такими высокими энергиями, световые сигналы, испускаемые кристаллом-сцинтиллятором ⁶LiI(Eu), могут быть разделены по энергии.

Недостатком этого предшествующего уровня техники является то, что такие детекторы должны использоваться совместно с фотоумножителями, такими как детекторы света. Другие детекторы света, а именно полупроводниковые фотодетекторы, также чувствительны к γ-излучению, и таким образом, действуя в качестве γ-детекторов, сами генерируют намного более сильный сигнал на единицу выделенной энергии γ-излучения по сравнению с столкновениями нейтронов в сцинтилляторе. Это происходит из-за того, что выделяемая в сцинтилляторе γ-энергия сначала преобразуется в световой импульс, генерирующий в полупроводниковом фотодетекторе фотоэлектроны только на втором этапе.

Как следствие, с помощью анализа высоты импульса можно отличить сигналы захвата нейтронов от γ-событий в сцинтилляторе, но нельзя отличить сигналы захвата нейтронов в сцинтилляторе от γ- или рентгеновских событий с намного более низкой энергией, возникающих непосредственно в полупроводниковом фотодетекторе.

Следовательно, такой детектор мог бы использоваться только для детектирования нейтронов в среде, в которой в той или иной степени отсутствует γ-излучение. Поскольку такие среды не являются, по меньшей мере вне лаборатории, средами, которые имеют определенную практическую значимость, это не является оптимальным решением.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставление очень компактного детектора нейтронов, в котором отсутствуют недостатки предшествующего уровня техники, в частности недостаток, связанный с необходимостью использовать устройство, содержащее газ под высоким давлением. Эта задача решается с помощью детектора нейтронов по п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.

Изобретение предоставляет детектор нейтронов для детектирования нейтронов при наличии существенного γ- или β-излучения, содержащий чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор, обеспечивающий сигнал захвата нейтронов, превышающий сигнал захвата γ-излучения, имеющего энергию 3 МэВ. Кроме того, он содержит полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых с помощью прямого детектирования ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе.

В настоящем описании время сбора полного заряда означает время, которое необходимо для сбора всех носителей заряда, формирующих сигнал детектора на собирающем электроде фотодетектора, измеряемое с момента возникновения сигнала (поступления в собирающий электрод первых носителей заряда).

Время сбора полного заряда соответствует времени нарастания сигнала заряда или длине токового сигнала, измеренной на собирающем электроде. В случае взаимодействия ионизирующего излучения непосредственно с веществом фотодетектора время сбора полного заряда определяется только длиной дрейфа и скоростью дрейфа носителей заряда в полупроводнике и геометрией собирающего заряд электрода. Начальное пространственное распределение сгенерированных носителей заряда соответствует треку ионизирующей частицы.

В случае сигналов сцинтиллятора носители заряда генерируются в виде фотоэлектронов, локализованных близко к поверхности фотодетектора и распределенных по всей области, подверженной воздействию света сцинтиллятора. Время сбора заряда может очень сильно отличаться от времени сбора заряда для трека ионизирующей частицы, в частности, если фотодетектор представляет собой кремниевый дрейфовый детектор (SDD). При этом пространственное распределение фотоэлектронов отражено в распределении времени поступления в собирающий электрод, которое значительно превышает распределение для локализованного заряда, соответствующего треку ионизирующей частицы.

Кроме того, продолжительность светового импульса сцинтиллятора, обуславливаемая временем высвечивания, может внести значимый вклад в время сбора полного заряда. Тогда время сбора полного заряда определяется комбинацией обоих эффектов.

Примерами таких устройств являются сцинтиллятор со временем высвечивания, превышающим обычное время сбора заряда в фотодиоде (PD) или лавинном фотодиоде (APD), соединенный с PD или APD.

Альтернативным вариантом является использование сцинтиллятора либо с длинным, либо с коротким временем высвечивания, соединенного с кремниевым дрейфовым детектором (SDD), поскольку SDD имеет относительно короткое время сбора полного заряда для треков заряженных частиц, сгенерированных ионизирующим излучением в кремнии, но значительно большее время сбора полного заряда для диффузно рассеянного облака фотоэлектронов, образованных при событиях сцинтилляции.

Кроме того, существует доступные устройства для сэмплирования сигналов детектора и устройства обработки цифрового сигнала, а также средства, которые различают прямые сигналы, поступающие из полупроводникового фотодетектора, получаемые в результате γ- или β-излучения и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от световых сигналов, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, будучи испускаемыми кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя разницу между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора и временем сбора полного заряда для сигналов, генерируемых детектированием ионизирующего излучения непосредственно в полупроводниковом фотодетекторе. Детектор также содержит средство, которое различает индуцированные нейтронами сигналы от индуцируемых γ- или β-излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя разницу между числом фотонов, генерируемых излучением нейтронов и γ-излучением, в интересующей области.

В предпочтительном варианте осуществления полупроводниковый фотодетектор выбирают из группы детекторов, содержащей фотодиод (PD), дрейфовый фотодиод (APD) и кремниевый дрейфовый детектор (SDD).

Предпочтительно, чтобы время высвечивания кристалла-сцинтиллятора превышало 100 нс, например, путем использования кристалла-сцинтиллятора, содержащего ⁶LiI(Eu).

Можно использовать кристалл-сцинтиллятор, размер которого не превышает 2 см³, предпочтительно не превышает 0,5 см³.

При детектировании отличающихся от тепловых нейтронов частиц, используя представленный в изобретении детектор, выгодно использовать окружающую замедляющую нейтроны среду, замедляющую быстрые нейтроны, с тем, чтобы в кристалл-сцинтиллятор попадали главным образом тепловые нейтроны.

Изобретение также предоставляет полную детекторную систему, содержащую детектор нейтронов, как описано выше, в комбинации с сэмплирующей электроникой и компьютерной программой, выполненной с возможностью оценки измеренных и сэмплированных данных, и особенно с возможностью анализа формы импульса указанных данных.

Еще более предпочтительным является объединение такого детектора нейтронов, который может быть реализован в очень компактном устройстве, с детекторами другого излучения, например с γ-детектором, разработанным для спектроскопии. Такой объединенный детектор особенно полезен для обеспечения национальной безопасности, поскольку его можно использовать как портативный идентификатор радиоизотопов.

Детектор нейтронов, предоставляемый изобретением, также можно использовать как γ-детектор, поскольку сцинтиллятор также детектирует γ-излучение.

Конкретный пример изобретения описан ниже.

На Фиг.1 показана принципиальная схема детектора.

На Фиг.2 показаны сигналы, измеренные таким детектором.

На Фиг.3 показан двухмерный спектр, полученный путем разделения по форме импульса сигналов.

На Фиг.1 показана принципиальная схема детектора согласно этому варианту осуществления. Кристалл 10 ⁶LiI(Eu) соединен с полупроводниковым фотодиодом 20. Нейтроны, поступающие в кристалл ⁶LiI(Eu), захватываются ионами ⁶Li. Продукты реакции, α-частицы и частицы трития полностью останавливаются в кристалле-сцинтилляторе, 10, генерируя таким образом в этом кристалле возбужденные состояния. Возбужденные состояния высвечиваются за время высвечивания порядка 1 мкс.

Затем испускаемый свет собирается фотодетектором 20, который выдает электрический сигнал, этот сигнал направляется в предусилитель 30 и затем в электронный блок 35, причем электронный блок 35 отвечает за сэмплирование и анализ высоты импульса и формы импульса сигналов, выдаваемых предусилителем.

Для обеспечения возможности детектирования не только тепловых нейтронов, кристалл 10 ⁶LiI(Eu) окружают замедлителем 15. Замедлитель 15 замедляет более быстрые нейтроны до тепловых энергий таким образом, чтобы они могли быть захвачены и, следовательно, детектированы кристаллом 10 ⁶LiI(Eu).

Кристалл-сцинтиллятор 10 также реагирует на γ-излучение, рассеиваемое или останавливаемое в кристалле, генерируя таким образом сцинтилляционное световое излучение, также детектируемое фотодетектором 20.

Поскольку используемое в кристалле-сцинтилляторе 10 вещество выбирают таким образом, чтобы световой выход, соответствующий захвату медленных (тепловых) нейтронов, был эквивалентен световому выходу, генерируемому при измерении γ-излучения с энергией, превышающей 3 МэВ, и, в то же самое время, поскольку γ-излучение, испускаемое из природных источников радионуклидов, имеет энергию ниже 3 МэВ, эти два сигнала могут быть четко разделены с помощью анализа высоты импульса.

γ-Сигнал в ⁶LiI(Eu), который можно видеть на Фиг.2, можно четко отличить от сигнала захвата нейтронов в ⁶LiI(Eu) по его энергии.

Полупроводниковый фотодетектор 20, который в настоящем варианте осуществления представляет собой фотодиод, не останавливает значительное количество медленных нейтронов, но, как все полупроводниковые устройства, также является детектором γ-излучения. На Фиг.2 также показаны сигналы, получаемые от такого γ-излучения, взаимодействующего непосредственно с фотодиодом 20. Однако даже если они в общем случае имеют более высокую энергию по отношению к сигналам захвата нейтронов, они, тем не менее, создают значительный шум по отношению к сигналам 50 захвата нейтронов. Это можно видеть на показанном на Фиг.3 спектре, обсуждение которого приведено ниже.

Для того чтобы соответствовать ANSI и другим (например, IAEA) стандартам чувствительности для нейтронов, в портативных устройствах идентификации радионуклидов необходимо получить предупредительный сигнал о наличии нейтронов, исходя из единичных отсчетов нейтронов, например, в случае детектирования двух нейтронов в течение 5 секунд. Следовательно, требуется надежное детектирование нейтронов и, следовательно, способность отличать нейтронные сигналы от безопасного фона.

В детекторах, как известно из уровня техники, фотодетектор представляет собой фотоумножитель, не чувствительный к γ-излучению. Однако такой фотоумножитель является сложным и очень большим устройством, не подходящим для портативных детекторов.

В изобретении, как описано в данном варианте осуществления, используется физический эффект, при котором время сбора заряда в фотодиоде 20 меньше, чем время высвечивания в кристалле-сцинтилляторе 10. Поэтому выдаваемые фотодетектором 20 сигналы действительно имеют разную форму импульса, если сравнивать их зависимость от времени.

В настоящем изобретении этот эффект используется для различения с помощью анализа формы импульса сигналов из кристалла-сцинтиллятора, индуцированных нейтронами, и сигналов из фотодиода, индуцированных γ-излучением. Поскольку, в то же самое время, с помощью анализа высоты импульса можно отличить сигналы, индуцированные нейтронами в сцинтилляторе, от сигналов, индуцированных γ-излучением в сцинтилляторе, все три типа сигналов можно отличить, используя совместно анализ высоты импульса и формы импульса.

Анализ формы импульса можно проводить, используя аналоговую и цифровую электронику. Поскольку проведение такого анализа формы импульса с помощью аналоговой электроники является действительно сложным, и, следовательно, предполагает наличие сложных и дорогостоящих устройств внутри детектора, в варианте осуществления изобретения предлагается устройство сэмплирования сигналов, выполняющее оцифровку выходных сигналов фотодетектора.

Затем выполняется дальнейшая оценка полученного сэмплированного цифрового сигнала с помощью устройства обработки цифровых сигналов, выполненного с возможностью выполнению такого анализа формы импульса.

На Фиг.3 приведен двухмерный график, показывающий выходные сигналы после проведения анализа формы импульса.

По оси Х показана энергия измеренных сигналов, а по оси Y показана мера для формы импульса. Индуцированные нейтронами сигналы 50 можно четко отличить от индуцированных γ-излучением сигналов 40, испускаемых сцинтиллятором, индуцированных γ-излучением сигналов в фотодиоде 60 и фонового шума 70.

Как уже упоминалось выше, индуцированные γ-излучением сигналы 60 в фотодиоде, по-видимому, как правило имеют более высокую энергию, чем индуцированные нейтронами сигналы 50, но все же, по-видимому, значительное количество индуцированных γ-излучением сигналов 60 в фотодиоде обладает такой же энергией что и индуцированные нейтронами сигналы 50. Поскольку приведенный выше стандарт ANSI действительно требует надежного детектирования единичных нейтронов, такой γ-шум не приемлем для соответствующих устройств. Поэтому в детекторе согласно настоящему изобретению для таких сигналов объединены анализ высоты импульса и анализ формы импульса, позволяя таким образом выделять как индуцированные γ-излучением сигналы 40, поступающие из сцинтиллятора, так и индуцированные γ-излучением сигналы 60, поступающие из фотодиода.

Перед использованием детектор согласно настоящему варианту осуществления должен быть сначала откалиброван, включая установку окна относительно сигналов, получаемых от γ-излучения, поглощенного фотодиодом, разделяющим эти сигналы. Тогда полученный спектр будет содержать только сигналы, сгенерированные испускаемым кристаллом-сцинтиллятором 10 светом, которые являются сигналами, полученными от γ-излучения и излучения нейтронов, поглощенного указанным кристаллом.

Если установить окно высоты импульса на относящейся к нейтронам области 50 на Фиг.3, то полученный сигнал будет содержать, после отделения всех индуцированных γ-излучением сигналов 60, поступивших из фотодиода, только индуцированные нейтронами сигналы.

В результате объединения согласно изобретению подходящего кристалла-сцинтиллятора с полупроводниковым фотодетектором, например фотодиодом или лавинным фотодиодом и т.п., совместно с устройством сэмплирования и цифровой электроникой, предоставляется возможность для проведения анализа высоты импульса и формы импульса, что дает в результате очень маленький, компактный и надежный детектор для детектирования нейтронов. Поскольку этот детектор не содержит находящегося под давлением газа, его можно также легко транспортировать самолетом.

Эксперименты показали, что кристалл ⁶LiI(Eu) с объемом, не превышающим 1/2 см³, является достаточным для соответствия стандарту ANSI по детектированию медленных нейтронов. Поэтому детектор согласно настоящему изобретению является значимым этапом в направлении дальнейшей миниатюризации и увеличения разнообразия портативных устройств для идентификации радиоизотопов.

Изобретение относится к детектору нейтронов для детектирования нейтронов в областях с существенным γ- или β-излучением, содержащему чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор (10), обеспечивающий сигнал захвата нейтрона, который сильнее сигнала захвата γ-излучения, с энергией 3 МэВ, полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор (20) выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственно детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе, детектор нейтронов также содержит устройство сэмплирования сигналов детектора, устройство (35) обработки цифровых сигналов, средство, которое отличает сигналы непосредственно из полупроводникового фотодетектора, индуцированные γ- или β-излучением и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от сигналов света, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, испускаемые кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя различие между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора от времени сбора полного заряда для сигналов, генерируемых прямым детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе, и средство, которое отличает индуцированные нейтронами сигналы от индуцированных γ-излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя различие между количеством фотонов, сгенерированных нейтроном и γ-излучением, в интересующей области. Технический результат - создание компактного детектора нейтронов. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Детектор нейтронов для детектирования нейтронов в областях с существенным γ- или β-излучением, содержащий:
чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор, обеспечивающий сигнал захвата нейтрона, который превышает сигнал захвата γ-излучения с энергией 3 МэВ,
полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственно детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе,
устройство сэмплирования сигналов детектора,
устройство цифровой обработки сигналов,
средство, которое различает сигналы непосредственно из полупроводникового фотодетектора, индуцированные γ- или β-излучением и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от световых сигналов, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, испускаемых кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя различие между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора от времени сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственным детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе,
средство, которое отличает индуцированные нейтронами сигналы от индуцированных γ-излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя различие между количеством фотонов, сгенерированных нейтроном и γ-излучением, в интересующей области.

2. Детектор нейтронов по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый фотодетектор представляет собой кремниевый дрейфовый детектор (SDD).

3. Детектор нейтронов по п.1, отличающийся тем, что время высвечивания кристалла-сцинтиллятора превышает 100 нc.

4. Детектор нейтронов по п.1, отличающийся тем, что кристалл-сцинтиллятор содержит ⁶LiI(Eu).

5. Детектор нейтронов по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый фотодетектор выбирают из группы детекторов, содержащих фотодиод (PD) и лавинный фотодиод (APD).

6. Детектор нейтронов по п.1, отличающийся тем, что кристалл-сцинтиллятор меньше 2 см³, предпочтительно меньше 0,5 см³.

7. Детектор нейтронов по одному из предшествующих пунктов с окружающей замедляющей нейтроны средой.