ГЕНЕРАТОР МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2012 года по МПК G01N23/222 G01V5/10 

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии с использованием нейтронов, в частности для неразрушающего дистанционного контроля различных скрытых веществ. Оно может быть применено для идентификации в полевых и стационарных условиях взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых веществ, скрытых в различных контейнерах.

Известен генератор меченых нейтронов, содержащий герметичный корпус, в котором установлены: источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень и сцинтилляторы α-детектора, при этом корпус имеет окна для осуществления оптической связи сцинтилляторов с фотоумножителями α-детектора, расположенными с внешней стороны корпуса генератора, причем α-детектор выполнен многоканальным. Сцинтилляторы расположены в виде матрицы, при этом в качестве сцинтиллятора используется кристалл алюмината иттрия, активированного церием, (YAlO₃(Ce)-YAP(Ce)), кроме того, сцинтиллятор снабжен поглотителем дейтронов, рассеянных в мишени. Патент Российской Федерации №2227310, МПК: G01V 5/10, 2004 г.

Известно устройство для обнаружения скрытых веществ, которое содержит: источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, выполненный на основе пластического сцинтиллятора, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику (систему регистрации α-γ совпадений), включающую: блок электроники сбора данных, блок питания, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя. При этом детектор γ-излучения расположен на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта. Детектор α-частиц, выполненный из активированного полистирола толщиной 0,7 мм в виде матрицы с числом ячеек 2×2 размером 11×11 мм каждая, установлен на расстоянии 7,5 см от тритиевой мишени нейтронного генератора и защищен алюминиевой фольгой толщиной 4-6 мкм. Патент Российской Федерации №2196980, МПК: G01N 23/222, G01T 1/167, 2003 г. Устройство не предназначено для работы в полевых условиях, поскольку не удовлетворяет требованиям портативности и компактности. Использование органического сцинтиллятора для регистрации α-частиц исключает применение компактного нейтронного генератора отпаянного типа со статическим вакуумом в корпусе. В устройстве отсутствует контроль за тем, что происходит облучение именно заданной области идентификации.

Изобретение предназначено для решения следующих технических задач:

- создания портативного и компактного устройства для работы в полевых условиях,

- уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого вещества,

- улучшения условий идентификации скрытых веществ, в частности повышения вероятности идентификации опасных веществ и уменьшения вероятности ложных тревог,

- повышения точности наведения меченого пучка нейтронов на обследуемый объект.

Известно устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания. Устройство выполнено в виде двух переносных модулей: досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детектор γ-излучения и регистрирующая электроника. В модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения, размещенный под углом, близким к 45°, относительно направления пучка меченых нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, выполнен на основе кристалла LYSO и снабжен защитой от пучка меченых нейтронов. Испытательный модуль снабжен жестко связанной с источником монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линии, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно. В качестве детектора α-частиц используется многоканальный кремниевый детектор. Патент Российской Федерации №2380690, МПК: G01N 23/222, 2010 г.

Недостатки данного устройства:

- малая интенсивность нейтронного потока, что приводит к увеличению времени досмотра;

- число каналов детектора не превышает нескольких десятков каналов;

- сложность размещения на корпусе нейтронного генератора нескольких сотен контактов, что исключает использование устройства для определения образа скрытого объекта;

- большой размер пучка меченых нейтронов (на расстоянии 60 см достигает 10 см), что ограничивает минимальную детектируемую массу, которая должна занимать объем вещества больший, чем объем меченого пучка. Изобретение предназначено для создания портативного нейтронного генератора с повышенной интенсивностью до I=3×10⁸ с^-1, для создания образа исследуемого объекта, с помощью облучения 64 мечеными пучками.

Техническим результатом изобретения является возможность уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого вещества, улучшение условий идентификации скрытых веществ, в частности повышения вероятности идентификации опасных веществ и уменьшения вероятности ложных тревог, повышения точности наведения меченого пучка нейтронов на обследуемый объект.

Технический результат достигается тем, что в генераторе меченых нейтронов, содержащем герметичный корпус, в котором установлены источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень, поглотитель дейтронов и многоканальный α-детектор, тритиевая мишень снабжена узлом охлаждения, который состыкован в месте теплового контакта вне вакуумного объема генератора, ускоряющий электрод выполнен в виде цилиндра, внутри которого установлена кольцевая сетка, из одного кольца или не менее двух концентрических колец, закрепленных у входной кромки ускоряющего электрода, в ускоряющем электроде в направлении пролета α-частиц и нейтронов выполнены два отверстия, высоковольтный изолятор, окруженный защитным экраном, установлен между ускоряющим и фокусирующим электродами.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 схематично представлен генератор меченых нейтронов, где: 1 - ионный источник, 2 - пучок дейтронов, 3 - мишенный узел, 4 - высоковольтный изолятор, 5 - защитный экран, 6 - ускоряющий электрод, 7 - корпус трубки, 8 - фокусирующий электрод.

На фиг.2 - схематично представлен фрагмент нейтронной трубки, где: 1-ионный источник, 5 - защитный экран, 6 - ускоряющий электрод, 2 - пучок дейтронов, 9 - мишень, 10 - проточка, 11 - узел охлаждения, 12 - место контакта.

На фиг.3 представлен фрагмент ускоряющего электрода 6, где: 2 - пучок дейтронов, 9 - мишень, 13 - кольцевая сетка, кольцевая сетка высокой прозрачности из одного или двух концентрических колец, закрепленных у входной кромки угловыми ламелями, 16 - рассеянные ионы.

Долговременная работа нейтронной трубки обеспечена тем, что высоковольтный изолятор 4 полностью защищен от запыления металлом, которое происходит вследствие бомбардировки внутренней поверхности электродов и других конструкционных элементов нейтронной трубки рассеянными ионами 16 пучка 2, образующихся при транспортировке ионного пучка 2 в среде нейтрального газа, заполняющего нейтронную трубку. Высоковольтный изолятор 4 окружен защитным экраном 5 и установлен до ускоряющего 6 и фокусирующего 8 электродов. Наличие защитного экрана 5 существенно уменьшает зону воздействия рассеянных ионов 16.

В нейтронной трубке установлен узел охлаждения мишени 11, позволяющий минимизировать упругое рассеяние быстрых нейтронов на материале узла охлаждения 11 благодаря небольшой толщине в направлении лучей меченых нейтронов 14. Это достигается наличием проточки 10. Исключить упругое рассеяние быстрых нейтронов 14 на материале ускоряющего электрода 6 и исключить потери α-частиц 15 при пролете их от мишени 9 до α-детектора позволяют два отверстия, сделанные в ускоряющем электроде 4 в направлении пролета α-частиц 15 и нейтронов 14. Узел охлаждения 11 предназначен для отвода до 100 ватт тепловой мощности от поверхности мишени 9 и вывода ее из объема нейтронной трубки.

Узел охлаждения 11 выполнен с возможностью принудительного воздушного охлаждения и состыкован, в частности, по резьбе, в месте теплового контакта 12 вне вакуумного объема нейтронной трубки. Он рассеивает всю переданную тепловую мощность.

Ускоряющий электрод 6 (Фиг.3) повышает подавление вторичных электронов со своей внутренней поверхности, которая подвергается бомбардировке рассеянными ионами 16, образованными при транспортировке пучка дейтронов 2 в среде нейтрального газа. Ускоряющий электрод 6 представляет собой цилиндр, внутри которого установлена кольцевая сетка 13 высокой прозрачности, из одного или двух концентрических колец, закрепленных у входной кромки угловыми ламелями (Фиг.3).

Интенсивность портативного нейтронного генератора достигает I=3×10⁸ с^-1. Это позволило в 6 раз сократить время досмотра объектов. При этом ресурс работы нейтронного генератора не уменьшился.

Использование: для исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии с использованием нейтронов. Сущность: заключается в том, что генератор меченых нейтронов содержит герметичный корпус, в котором установлены источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень, поглотитель дейтронов и многоканальный α-детектор, при этом тритиевая мишень снабжена узлом охлаждения, который состыкован в месте теплового контакта вне вакуумного объема генератора, ускоряющий электрод выполнен в виде цилиндра, внутри которого установлена кольцевая сетка, из одного кольца или более концентрических колец, закрепленных у входной кромки ускоряющего электрода, в ускоряющем электроде в направлении пролета α-частиц и нейтронов выполнены два отверстия, высоковольтный изолятор, окруженный защитным экраном, установленным между ускоряющим и фокусирующим электродами. Технический результат: возможность уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого вещества, улучшение условий идентификации скрытых веществ, в частности повышения вероятности идентификации опасных веществ и уменьшения вероятности ложных тревог, повышения точности наведения меченого пучка нейтронов на обследуемый объект. 3 ил.

Генератор меченых нейтронов, содержащий герметичный корпус, в котором установлены источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень, поглотитель дейтронов и многоканальный α-детектор, отличающийся тем, что тритиевая мишень снабжена узлом охлаждения, который состыкован в месте теплового контакта вне вакуумного объема генератора, ускоряющий электрод выполнен в виде цилиндра, внутри которого установлена кольцевая сетка, из одного кольца или более концентрических колец, закрепленных у входной кромки ускоряющего электрода, в ускоряющем электроде в направлении пролета α-частиц и нейтронов выполнены два отверстия, высоковольтный изолятор, окруженный защитным экраном, установленным между ускоряющим и фокусирующим электродами.