УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ ПОГЛОЩАЮЩИХ НЕЙТРОНЫ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ ГАММА-ДЕТЕКТОРОВ Российский патент 2013 года по МПК G01T3/06 

Настоящее изобретение относится к устройству для детектирования нейтронного излучения, предпочтительно, тепловых (медленных) нейтронов, с использованием гамма-лучевого сцинтиллятора для косвенного детектирования.

Несмотря на большое разнообразие известных способов, и устройств для детектирования нейтронов обычная трубка ³He все еще преобладает в большинстве применений, где требуется отсчет нейтронов с наибольшей эффективностью при наименьшей стоимости. Однако ожидается дефицит ³He, поэтому необходимы альтернативы.

Такие альтернативные детекторы известны в технике. В книге Кнолла (Knoll) «Radiation Detection and Measurement», 3-е издание 2000 г., стр. 506, утверждается, что все обычные реакции, используемые для детектирования нейтронов, являются реакциями с испусканием заряженных частиц. В частности, возможными продуктами реакции, используемыми для детектирования, являются ядра отдачи (в основном протоны), тритоны, альфа-частицы и осколки деления. Тем не менее, в некоторых специализированных детекторах используются гамма-лучи, сопровождающие реакцию захвата нейтрона, но такие применения сравнительно редки.

В патенте US 7525101 B2 Гродзинса (Grodzins) раскрыт детектор, использующий гамма-лучевой сцинтиллятор. В патенте Гродзинса раскрыт детектор, содержащий нейтронный сцинтиллятор, непрозрачный для входящих оптических фотонов, проложенный между двумя световодами, один из которых также выступает в качестве гамма-лучевого сцинтиллятора. Этот детектор также, в общем случае, использует испускание тяжелых заряженных частиц после захвата нейтрона. В патенте Гродзинса в качестве материалов, способных к захвату нейтрона, упомянуты ⁶Li, ¹⁰B, ¹¹³Cd или ¹⁵⁷Gd. Они используются совместно со сцинтилляционным компонентом ZnS, в котором заряженные частицы теряют энергию, что приводит к сцинтилляции материала ZnS с излучением около 50 оптических фотонов на каждый кэВ потери энергии, что дает сотни тысяч оптических световых квантов после каждого захвата нейтрона.

В результате, детектор, раскрытый в патенте Гродзинса, излучает световые кванты к обеим сторонам листа нейтронного сцинтиллятора. Затем сам детектор измеряет совпадение детектирования света по обе стороны листа нейтронного сцинтиллятора. Такое совпадающее измерение рассматривается как сигнатура захвата нейтронов в листе нейтронной сцинтилляции. Этот детектор позволяет отличать нейтроны от гамма-излучения, поскольку гамма-квант будет останавливаться только в гамма-сцинтилляторе, который оптически отделен от другого световода.

Помимо усложненной конструкции, раскрытие патента Гродзинса имеет тот недостаток, что не позволяет отличать нейтронные события от космического фонового излучения и излучение других энергичных заряженных частиц, которое может вызывать сцинтилляцию в материале, поглощающем нейтроны, или черенковский свет в световодах, также сопровождаемый излучением света в оба световода.

Другим недостатком раскрытия патента Гродзинса является неудовлетворительное различение нейтронного и гамма-излучения в случае использования ¹¹³Cd или ¹⁵⁷Gd в качестве материалов, способных к захвату нейтрона. В этом случае, детектор оказывается чувствительным также к внешнему гамма-излучению. Импульсы, генерируемые при детектировании внешнего гамма-излучения в нейтронном сцинтилляторе, невозможно отличить от импульсов, обусловленных гамма-излучением, возникающим в реакциях захвата нейтрона.

В статье Ридера (Reeder) «Nuclear Instruments and Methods» в Physics Research A 340 (1994) 371, предложен детектор нейтронов, выполненный из оксиортосиликата гадолиния (GSO) окруженный пластиковыми сцинтилляторами, действующий как спектрометр полного гамма-поглощения совместно с GSO. Поскольку пластиковые сцинтилляторы отличаются большой длиной ослабления для энергичных гамма-лучей, предложенный спектрометр полного поглощения будет либо весьма неэффективным, либо будет требовать больших объемов пластикового сцинтиллятора. Дополнительный недостаток состоит в том, что существуют трудности при сборе света из пластикового материала с помощью разумного количества фотодетекторов. Кроме того, большие слои пластика не только замедляют, но и поглощают часть потока нейтронов, таким образом, снижая эффективность детектора нейтронов. Дополнительный недостаток состоит в невозможности устранения фона, обусловленного комптоновским рассеянием гамма-лучей от внешнего источника в детекторе нейтронов, сопровождаемого взаимодействием рассеянного гамма-излучения с гамма-детектором.

Другой детектор нейтронов, использующий гамма-лучевой сцинтиллятор, раскрыт Беллом (Bell) в US 6 011 266. Белл предлагает использовать гамма-лучевой сцинтиллятор, окруженный материалом, чувствительным к нейтронам, предпочтительно, содержащим бор. Реакция захвата нейтрона приводит к делению материала, чувствительного к нейтронам, с образованием альфа-частицы и иона ⁷Li, благодаря чему ион лития переходит из первого возбужденного состояния в основное состояние с испусканием одного гамма-кванта с энергией 478 кэВ, который затем детектируется сцинтилляционным детектором. В то же время, детектор, раскрытый в патенте Белла чувствителен к гамма-лучам, обусловленным полем падающего излучения, поскольку материал, чувствительный к нейтронам, не действует как экран от гамма-лучей.

Одним из недостатков такого детектора является то, что единичный гамма-луч, выделяемый при возвращении из первого возбужденного состояния ⁷Li, находится в диапазоне энергий, где присутствует много других гамма-лучей. Поэтому необходимо очень точно измерять этот единичный акт возврата из возбужденного состояния для достижения по меньшей мере приемлемых результатов, что существенно увеличивает техническую сложность и соответствующие затраты. Кроме того, с помощью детектора, наподобие раскрытого Беллом, трудно, если вообще возможно, различить излучение заряженных частиц, например, космического происхождения.

В сущности, ни одна известная схема детектора нейтронов не может соревноваться с трубкой ³He, если одновременно рассматривать такие решающие параметры, как эффективность детектирования нейтронов по объему, эффективность детектирования нейтронов по стоимости, коэффициент подавления гамма-излучения, простота и надежность, а также доступность материалов детектора.

Таким образом, задачей изобретения является преодоление недостатков уровня техники и обеспечение эффективного детектора нейтронов, отличающегося простотой конструкции и высокой точностью детектирования нейтронов.

Эта задача решается за счет устройства для детектирования нейтронного излучения, предпочтительно, тепловых нейтронов, содержащего по меньшей мере гамма-лучевой сцинтиллятор, причем сцинтиллятор содержит неорганический материал с длиной ослабления L_g менее 10 см, предпочтительно, менее 5 см для гамма-лучей с энергией 5 МэВ для обеспечения высокой способностью торможения гамма-лучей для энергичных гамма-лучей в гамма-лучевом сцинтилляторе, причем гамма-лучевой сцинтиллятор дополнительно содержит компоненты, для которых умножение сечения захвата нейтрона на концентрацию дает длину поглощения L_n для тепловых нейтронов, которая больше 0,5 см, но меньше пятикратной длины ослабления L_g, предпочтительно, меньше двукратной длины ослабления L_g для гамма-лучей с энергией 5 МэВ в сцинтилляторе, причем нейтрон-поглощающие компоненты гамма-лучевого сцинтиллятора высвобождают энергию, сообщенную возбужденным ядрам после захвата нейтрона, в основном посредством гамма-излучения, причем гамма-лучевой сцинтиллятор имеет диаметр или длину края по меньшей мере 50% L_g, предпочтительно, по меньшей мере L_g, для поглощения существенной части энергии гамма-луча, выделяемой после захвата нейтрона в сцинтилляторе. Устройство дополнительно содержит детектор света, оптически соединенный с гамма-лучевым сцинтиллятором, для детектирования количества света в гамма-лучевом сцинтилляторе, и оценивающее приспособление, соединенное с детектором света, причем приспособление способно определять количество света, детектируемого детектором света для одного события сцинтилляции, причем это количество находится в известном соотношении с энергией, сообщаемой гамма-излучением в гамма-лучевом сцинтилляторе. Оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда измеренная полная энергия гамма-кванта E_sum выше 2,614 МэВ.

Вышеупомянутые термины диаметр и длина края относятся к размеру гамма-лучевого сцинтиллятора. В случае цилиндрического сцинтиллятора, термин диаметр или длина края относится либо к диаметру, либо к высоте, длине края, цилиндра, в зависимости от того, что меньше.

Предпочтительно, оценивающее приспособление также выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда измеренная полная энергия гамма-кванта ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, гамма-лучевой сцинтиллятор содержит в качестве составной части по меньшей мере один из элементов, а именно хлор (Cl), марганец (Mn), кобальт (Co), селен (Se), бром (Br), иод (I), цезий (Cs), празеодим (Pr), лантан (La), гольмий (Ho), иттербий (Y), лютеций (Lu), гафний (Hf), тантал (Ta), вольфрам (W), или ртуть (Hg). Наиболее предпочтительно, гамма-лучевой сцинтиллятор выбран из группы, содержащей вольфрамат свинца (PWO), иодид натрия (NaI), иодид цезия (CsI) или бромид лантана (LaBr₃).

Согласно другому варианту осуществления, гамма-лучевой сцинтиллятор содержит в качестве активатора или легирующей присадки по меньшей мере один из элементов, а именно кадмий (Cd), самарий (Sm), диспрозий (Dy), европий (Eu), гадолиний (Gd), иридий (Ir), индий (In), или ртуть (Hg). Например, гамма-лучевой сцинтиллятор может быть выбран из группы, содержащей европий, легированный иодидом стронция (SI₂) или фторидом кальция (CaF₂).

Согласно другому варианту осуществления изобретения, гамма-лучевой сцинтиллятор делится на по меньшей мере три отдельные части, причем каждая из этих частей соединена с детектором света так, чтобы можно было различать сигналы из разных частей, причем оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны когда по меньшей мере две разные части детектируют сигнал, обусловленный гамма-взаимодействием, после захвата нейтрона в нейтрон-поглощающих компонентах гамма-лучевого сцинтиллятора. Детектор света, позволяющий различать сигналы из разных частей гамма-лучевого сцинтиллятора, может представлять собой многоанодную фотоумножительную трубку. Очевидно, что части гамма-лучевого сцинтиллятора, описанные в предыдущем абзаце, могут составлять несколько более или менее целостных частей единичного детектора или, альтернативно, могут содержать по меньшей мере три отдельных гамма-лучевых сцинтиллятора, сигналы которых совместно оцениваются вышеописанным образом.

В еще одном варианте осуществления, гамма-лучевой сцинтиллятор по меньшей мере частично окружен экранной секцией, причем экранная секция содержит сцинтиллятор, свет, изучаемый сцинтиллятором, измеряется детектором света, причем выходные сигналы детектора света оцениваются общим оценивающим приспособлением устройства. Оценивающее приспособление, предпочтительно, выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда никакой сигнал с энергией, превышающей определенный порог экранирования, не детектируется из сцинтиллятора экранной секции в течение одного и того же временного интервала (антисовпадение), причем порог экранирования определяется согласно этапам измерения толщины t (в см) сцинтиллятора в третьей секции, затем определения энергии E_min (в МэВ), соответствующей энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см³, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см²), и, наконец, задания порога экранирования ниже энергии. Экранная секция, предпочтительно, оптически соединена с детектором света гамма-лучевого сцинтиллятора, и оценивающее приспособление, предпочтительно, выполнено с возможностью различать сигналы из гамма-лучевого сцинтиллятора и экранной секции по их свойствам сигнала. Также удобно, когда цветосдвигающий элемент установлен между сцинтиллятором экранной секции и фотодетектором.

Сцинтиллятор экранной секции может быть выбран из группы материалов, содержащей составные части с низким атомным номером Z, служащие в качестве замедлителя нейтронов для быстрых нейтронов.

Также раскрыт способ детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, с использованием вышеописанного устройства, содержащий этапы, на которых захватывают нейтрон в гамма-лучевом сцинтилляторе, затем измеряют свет, излучаемый из гамма-лучевого сцинтиллятора в результате потери энергии гамма-излучения, и определяют полную потерю энергии гамма-излучения после захвата нейтрона из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора устройства и, наконец, классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ. Предпочтительно, событие классифицируется как захват нейтрона, только когда измеренная полная потеря энергии ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.

Согласно другому способу детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, устройство с гамма-лучевым сцинтиллятором, разделенное на по меньшей мере три части, как описано выше, используется для применения способа, согласно которому: захватывают нейтрон в гамма-лучевом сцинтилляторе, затем измеряют свет, излучаемый из гамма-лучевого сцинтиллятора в результате потери энергии гамма-излучения, затем определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора и, наконец, классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ, и когда потеря энергии измеряется по меньшей мере в двух частях гамма-сцинтиллятора.

Также раскрыт способ детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, с использованием устройства с вышеописанным экранным детектором, способ содержит этапы, на которых захватывают нейтрон в гамма-лучевом сцинтилляторе, затем измеряют свет, излучаемый из гамма-лучевого сцинтиллятора в результате потери энергии гамма-излучения до определения полной потери энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора, и классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ. Согласно этому способу, дополнительно требуется, чтобы никакой сигнал с энергией, превышающей некоторый порог экранирования, не детектировался из экранного сцинтиллятора в течение одного и того же временного интервала (антисовпадение), чтобы событие можно было классифицировать как обусловленное захватом нейтрона, причем порог экранирования определяется согласно следующим этапам, на которых измеряют толщину t (в см) экранного сцинтиллятора, определяют энергию E_min (в МэВ), соответствующую энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в экранном сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см³, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см²), и затем задают порог экранирования ниже энергии. Предпочтительно, полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона определяется из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора и экранного сцинтиллятора.

Согласно другому способу, с использованием устройства, согласно изобретению, с экраном, событие классифицируется как захват нейтрона только когда полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.

Дополнительно раскрыт способ использования устройства, согласно изобретению, с экраном, согласно которому событие классифицируется как внешнее гамма-излучение, если в экранном сцинтилляторе наблюдается потеря энергии, ниже порога экранирования, но в гамма-лучевом сцинтилляторе потеря энергии не наблюдается.

Некоторые конкретные варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на следующие чертежи.

Фиг.1 - вариант осуществления изобретения с цилиндрическим сцинтиллятором и детектором света,

фиг.2 - детектор, согласно изобретению, с окружающим экранным детектором,

фиг.3 - аналогичный детектор, использующий один-единственный детектор света, и

фиг.4 - различные времена затухания сигналов, излучаемых из разных материалов сцинтиллятора.

На фиг.1 показан продольный разрез варианта осуществления. Здесь показаны детектор 100 и две его главные секции. Можно видеть материал 101 гамма-сцинтиллятора, который смонтирован на детекторе 103 света, предпочтительно, фотоумножительной трубке или матрице лавинных фотодиодов, работающих по принципу счетчика Гейгера (G-APD). Материал гамма-сцинтиллятора может быть инкапсулирован материалом 106. В предпочтительном варианте осуществления, этот материал 106 может иметь достаточную толщину и, в то же время, содержать достаточно материала с низким атомным номером Z, чтобы выступать в качестве замедлителя для быстрых нейтронов.

Материал гамма-сцинтиллятора выбирается таким образом, чтобы он содержал составные части или легирующие присадки с концентрацией и сечением захвата нейтрона для тепловых (медленных) нейтронов достаточно большими, чтобы захватывать большинство тепловых нейтронов, ударяющих в детектор.

Материал в гамма-лучевом сцинтилляторе 101, отвечающий за захват нейтрона, не является материалом, который, по существу, испытывает деление или испускание заряженных частиц в результате захвата нейтрона, но, в основном, высвобождает свою энергию возбуждения путем испускания гамма-луча. Подходящими материалами являются, например, материалы, содержащие хлор (Cl), марганец (Mg), кобальт (Co), селен (Se), бром (Br), иод (I), цезий (Cs), празеодим (Pr), лантан (La), гольмий (Ho), иттербий (Y), лютеций (Lu), гафний (Hf), тантал (Ta), вольфрам (W) или ртуть (Hg), в особенности при использовании в качестве составной части материала сцинтиллятора. В особо предпочтительном варианте осуществления гамма-лучевой сцинтиллятор 101 выполнен из вольфрамата свинца (PWO), иодида натрия (NaI), иодида цезия (CsI) или бромида лантана (LaBr₃).

Другой способ повышения коэффициента захвата нейтронов в гамма-лучевом сцинтилляторе 101 предусматривает легирование сцинтиллятора делящимися материалами. Такими материалами могут быть гадолиний (Gd), кадмий (Cd), европий (Eu), самарий (Sm), диспрозий (Dy), иридий (Ir), ртуть (Hg) или индий (In). Это позволяет регулировать коэффициент поглощения для тепловых нейтронов путем повышения или снижения концентрации легирующей присадки в гамма-лучевом сцинтилляторе 101.

Поскольку каждый захват нейтрона сообщает ядру значительную величину энергии возбуждения, в основном примерно от 5 до 10 МэВ, в зависимости от захватывающего нуклида, это является, грубо говоря, энергией, которая высвобождается в форме множественных гамма-квантов с энергиями в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Напротив, обычная реакция захвата нейтрона, используемая в традиционных детекторах, приводит к высвобождению энергии, в основном, за счет испускания продуктов деления и/или заряженных частиц. Эти процессы также часто сопровождаются гамма-излучением, которое, тем не менее, составляет лишь небольшую часть полной высвобождающейся энергии.

Устройство, согласно изобретению, использует захват нейтрона, сопровождающийся испусканием гамма-квантов с полной энергией в пределах от 5 до 10 МэВ. В результате, новая схема детектора с эффективным гамма-сцинтиллятором позволяет измерять существенную часть этих излучаемых гамма-квантов и, таким образом, достаточно отличать события, обусловленные захватом нейтрона, от фонового излучения, в частности, от гамма-излучения, сопряженного с большинством радиоактивных распадов.

Заметим, что гамма-каскады после захвата нейтрона излучаются очень быстро, из-за чего гамма-сцинтиллятор 101 не в состоянии различить отдельные гамма-события. Поэтому гамма-сцинтиллятор 101 как таковой суммирует все гамма-энергии, вырабатывая количество света, которое, в основном, пропорционально полной энергии E_sum, сообщаемой материалу сцинтиллятора. Таким образом, сцинтиллятор не может отличить единичную высокую гамма-энергию от множества гамма-лучей более низкой энергии, поглощенных в течение одного и того же временного интервала.

Таким образом, гамма-сцинтиллятор 101 работает как своеобразный калориметр, суммируя всю энергию, сообщаемую после единичного события захвата нейтрона. Он сконструирован и устроен таким образом, чтобы максимизировать часть суммарной энергии E_sum, которая в среднем поглощается в сцинтилляционном материале, после захвата нейтрона в поглотителе нейтронов, при минимальной стоимости и минимальном объеме детектора. С учетом того, что, в зависимости от конкретной используемой реакции, фактически поглощается лишь часть суммарной энергии E_sum, в детекторе удобно задавать соответствующее окно, иными словами, интервал суммарной энергии. Только события с суммарной энергией E_sum в пределах этого окна будут с достаточной определенностью идентифицироваться как захваты нейтрона.

Оценивающее приспособление, здесь не показанное, оценивающее выходной сигнал детектора 103 света, настроено определять событие как захват нейтрона, когда суммарная энергия E_sum превышает 2,614 МэВ. Принимая это условие в качестве нижнего порога, изобретение использует тот факт, что наивысшая единичная гамма-энергия, возникающая в результате распада одного нуклида из природного радиоактивного ряда, в точности равна 2,614 МэВ, что соответствует гамма-распаду ²⁰⁸Tl, входящего в природный радиоактивный ряд тория.

Поскольку весьма маловероятно измерить два независимых гамма-луча из двух совпадающих источников, порог 2,614 МэВ достаточно хорош для проведения различия от природного или другого фонового излучения.

Нелишне отметить, что такой гамма-калориметр является эффективным детектором для гамма-лучей захвата нейтрона, порожденных также вне детектора. Это может повысить чувствительность устройства, согласно изобретению, для детектирования источников нейтронов. Дело в том, что все материалы, окружающие источник нейтронов, захватывают нейтроны в большей или меньшей степени, в конце концов, захватывая все нейтроны, порождаемые источником. Эти процессы, в основном, сопровождаются испусканием энергичных гамма-лучей, часто с энергиями гораздо больше 3 МэВ. Эти гамма-лучи могут вносить свой вклад в нейтронные сигналы детектора, согласно изобретению, если они сообщают гамма-лучевому сцинтиллятору устройства достаточную часть своей энергии.

Чтобы гамма-сцинтиллятор работал в калориметрическом режиме, предпочтительно выбирать размер сцинтиллятора в зависимости от материала сцинтиллятора таким образом, чтобы существенную часть гамма-лучей, испускаемых после захвата нейтрона, можно было остановить в гамма-сцинтилляторе. Очень подходящим материалом является, например, вольфрамат свинца (PWO или PbWO₄), поскольку этот материал отличается значительной останавливающей способностью для гамма-энергий, представляющих интерес, включая наивысшие гамма-энергии, и довольно высокой способностью к захвату нейтрона благодаря вольфраму (W), который является одним из составных частей кристалла. Низкий световой выход (в фотонах на МэВ) PWO приемлем в этом применении, поскольку здесь не требуется высокая спектрометрическая характеристика. Также имеет большое значение тот факт, что этот материал легко приобрести в больших количествах по низким ценам.

Рекомендуется использовать сцинтилляторы PWO диаметром от 5 до 8 сантиметров в качестве гамма-лучевого сцинтиллятора устройства. Такой детектор способен поглощать (1) около 50% (или даже более) тепловых нейтронов, ударяющих в детектор, и (2) гамма-энергии более 3 МэВ в более 50% всех случаев, когда вырабатываются гамма-лучи с энергией выше 4 МэВ в объеме этого детектора.

Благодаря надлежащему выбору материала для гамма-лучевого сцинтиллятора 101, т.е., в особенности, имеющего длину поглощения L_n для тепловых нейтронов, которая больше 0,5 см, но меньше двукратной длины ослабления L_g для гамма-излучения с энергией 5 МэВ, большинство нейтронов будет захватываться достаточно далеко от поверхности гамма-лучевого сцинтиллятора 101, в связи с чем, в гамма-лучевом сцинтилляторе 101 будет происходить, в основном, следующее гамма-излучение. В случае достаточно большого гамма-лучевого сцинтиллятора, длина поглощения может превышать двукратную длину ослабления, но не должен превышать пятикратную длину ослабления. В результате, гамма источник будет более или менее полностью окружен гамма-лучевым сцинтиллятором, что значительно повышает эффективность гамма-детектирования после захвата нейтрона, и таким образом, эффективность детектирования нейтронов.

Также можно рекомендовать установить дополнительный, верхний, порог суммарной энергии E_sum равный около 10 МэВ. Полная энергия, излучаемая после захвата нейтрона, обычно не превышает это значение. Тем не менее, могут возникать сигналы с сигнатурами энергии выше этого порога, после прохождения космического излучения, например мюонов, через гамма-сцинтиллятор, в особенности, когда детектор сравнительно велик. Эти события различаются и выбраковываются благодаря порогу. Фактически оба, нижний и верхний, пороги энергетического вклада в секции два следует оптимизировать таким образом, чтобы отношение эффекта к фону было оптимально для сценария, представляющего интерес.

Суммарная энергия E_sum обычно измеряется в гамма-лучевом сцинтилляторе 101 путем сбора и измерения света, вырабатываемого в гамма-лучевом сцинтилляторе, с использованием детектора 103 света, и оценивания измеренного сигнала от детектора света. Одним из главных критериев детектирования нейтронов является, в общем случае, требование, чтобы суммарная энергия E_sum превышала 2,614 МэВ.

Другой вариант осуществления 200 изобретения показан на фиг.2. В центре можно видеть устройство, описанное в первом варианте осуществления, состоящее из секции 201 гамма-лучевого сцинтиллятора и детектора 203 света. Этот детектор, в необязательном порядке, может быть инкапсулирован материалом 206. Участок гамма-сцинтиллятора детектора окружен экранной секцией 208, также содержащей материал сцинтиллятора 204. Свет, генерируемый в этом материале экранного сцинтиллятора, детектируется дополнительным детектором 205 света.

Этот внешний детектор 208, предпочтительно, служит в качестве экрана антисовпадения от фонового излучения, например космического излучения. Когда экранная секция 208 использует материал сцинтиллятора с довольно низкими атомными номерами, она также может одновременно выступать в качестве замедлителя для быстрых нейтронов, что позволяет устройству детектировать также быстрые нейтроны. В этом контексте также нужно отметить, что инкапсулирующий материал 206 детектора можно выбирать таким образом, чтобы этот материал служил в качестве замедлителя нейтронов, тогда как такой выбор материала не ограничивается вариантом осуществления с окружающей экранной секцией 208, но также может использоваться совместно с другими вариантами осуществления.

В предпочтительном варианте осуществления, внешний материал сцинтиллятора 204 третьей секции содержит пластиковый материал сцинтиллятора. Такой материал легкодоступен и прост в обработке.

Минимальный энергетический вклад проникающих заряженных частиц в сцинтилляторе экранной секции (в МэВ) определяется толщиной сцинтиллятора (в сантиметрах), умноженной на плотность сцинтиллятора (в граммах на кубический сантиметр) и потерю энергии минимально ионизирующих частиц (МИЧ) в соответствующем материале сцинтиллятора (в МэВ на грамм на квадратный сантиметр). Последняя величина превышает 1 МэВ/(г/см²) для всех обычных материалов и превышает 1,5 МэВ/(г/см²) для всех легких материалов, что позволяет легко оценивать верхний предел. Например, использование пластикового (PVT) сцинтиллятора толщиной 2 см в экранной секции, например, даст нижний предел около 2×1×1,5 МэВ или около 3 МэВ для сигнала, обусловленного проникающими заряженными частицами в экранной секции. Эти сигналы будут отброшены как фон. В этом случае, условие антисовпадения для внешней экранной секции может состоять в том, что в экранной секции не детектируется энергия более 3 МэВ.

В результате, энергия, детектируемая во внешней экранной секции устройства, менее 3 МэВ в конкретном примере, скорее всего, не исходит из энергичного космического излучения, вследствие чего, такое низкоэнергичное событие, если оно детектируется совместно с гамма-лучами в гамма-лучевом сцинтилляторе 201, может добавляться к суммарной энергии E_sum, поскольку оно может быть обусловлено захватом нейтрона в гамма-лучевом сцинтилляторе. Если же этот сигнал, фактически обусловлен внешним гамма-излучением, условие суммарной энергии (E_sum>2614 кэВ) предписывает отбрасывать соответствующее событие.

Нелишне отметить, что, когда в экранной секции 208 наблюдается энергетический вклад, который меньше, чем минимальный энергетический вклад проникающих заряженных частиц, в то время как в гамма-лучевом сцинтилляторе 201 сигнал не наблюдается, это можно рассматривать как сигнатуру для детектирования внешнего гамма-луча в экранной секции 208, таким образом, одновременно используя экранный сцинтиллятор как детектор (или спектрометр) для (внешних) гамма-лучей.

Аналогичным образом, энергетический вклад в экранной секции 208 меньше минимального энергетического вклада проникающих заряженных частиц, сопровождаемого сигналом в гамма-лучевом сцинтилляторе 201 с суммарной энергией E_sum меньше 2,614 МэВ, можно рассматривать как сигнатуру для детектирования внешнего гамма-излучения, которое сообщает энергию обеим секциям в силу комптоновского рассеяния, сопровождаемого вторым актом рассеяния или фотопоглощения. Поэтому комбинация экранной секции 208 и гамма-лучевого сцинтиллятора 201 может действовать как детектор (или спектрометр) для внешних гамма-лучей, тогда как критерий суммарной энергии позволяет отличать события захвата нейтрона.

Дополнительное усовершенствование варианта экранного детектора показано на фиг.3. Опять же, гамма-лучевой сцинтиллятор 301 установлен на детекторе 303 света. Гамма-лучевой сцинтиллятор снова может быть окружен той или иной инкапсуляцией 306.

В отличие от других вариантов осуществления, светочувствительная поверхность детектора 303 света проходит по диаметру, покрытому детектором гамма-лучей 301. Эта внешняя периферия детектора 303 света оптически соединена с круглой экранной секцией, предпочтительно, опять же, пластиковым сцинтиллятором 304, окружающей гамма-лучевой сцинтиллятор 301 детектора.

Чтобы правильно отличить сигнал, исходящий из гамма-лучевого сцинтиллятора 301 от сигналов, исходящих из пластикового сцинтиллятора 304, можно добавить цветосдвигающий элемент 307. Такой цветосдвигающий элемент, предпочтительно, поглощает свет от пластикового материала сцинтиллятора 304, излучающего свет с длиной волны, аналогичной длине волны, излучаемой из гамма-лучевого сцинтиллятора 301, что позволяет правильно измерять его с помощью одного и того же детектора 303 света. Чтобы отличать сигналы из пластикового сцинтиллятора 304 от сигналов гамма-лучевого сцинтиллятора 301, полезно, если свет, излучаемый из цветосдвигающего элемента 307, будет иметь другое время затухания, таким образом, позволяя оценивающему приспособлению отчетливо различать два вышеописанных источника сигнала.

Пример соответствующих сигналов, отличающихся временем затухания, показан на фиг.4. Импульс 408 исходит, например, из гамма-лучевого сцинтиллятора, состоящего из сцинтилляционного материала с коротким временем затухания. Когда время затухания света, излучаемого из экранного сцинтиллятора, гораздо больше, чем показано пунктирной линией 409 на фиг.4, эти сигналы легко различать либо посредством цифровой обработки сигнала либо просто путем задания двух временных окон 418 и 419 на сигнальном выходе детектора света. Таким же образом, сигналы из гамма-лучевого сцинтиллятора с более длительным временем затухания можно легко отличить от сигналов из экранного сцинтиллятора с гораздо более коротким временем затухания.

Не существенно, что гамма-лучевой сцинтиллятор содержит единичный материал гамма-сцинтиллятора, размещенный в единичном детекторном блоке, считываемом общим фотодетектором. В другом варианте осуществления, здесь не показанном, гамма-лучевой сцинтиллятор, используемый в качестве калориметра, состоит из множественных отдельных частей, детекторов, которые могут быть основаны на разных материалах сцинтиллятора, и считываться отдельными фотодетекторами. В этом случае суммарная энергия E_sum получается суммированием всех энергетических вкладов гамма-излучения отдельных детекторов, полученных из световых сигналов отдельных детекторов, которые возникают в течение одного и того же временного интервала (т.е. при совпадении). Такой вариант осуществления имеет преимущество, если детекторы, первоначально предназначенные для другой цели, например, детектирования и спектроскопии внешнего гамма-излучения, можно применять в устройстве, согласно изобретению, для снижения полной стоимости.

Еще один признак изобретения состоит в возможности использовать высокую множественность гамма-лучей, испускаемых после захвата нейтрона. Если гамма-лучевой сцинтиллятор устроен таким образом, что содержит три или более детекторов, можно также оценивать множественность. Если детектор света разделен таким образом, что свет, например четырех, гамма-лучевых сцинтилляторов можно различать, например, с использованием многоанодных фотоумножительных трубок, его также можно оценивать по отдельности. Поэтому, помимо измерения суммарной энергии E_sum, можно также потребовать определенной множественности измеренных гамма-событий.

С учетом ограниченной эффективности детекторов, признано преимущественным, чтобы по меньшей мере две части такого гамма-лучевого сцинтиллятора детектировали гамма-события. В особенности, помимо условия превышения суммарной энергией E_sum величины 2,614 МэВ, это условие множественности дополнительно повышает точность детектора, согласно изобретению.

В итоге, заявленное изобретение предусматривает недорогой детектор простой конструкции, в основе которой лежат общеизвестные, недорогие, готовые к использованию материалы сцинтиллятора, и общеизвестные, недорогие, готовые к использованию фотодетекторы, и способ оценивания излучаемых сигналов с эффективностью и точностью, сравнимыми с традиционными счетчиками на основе ³He.

Изобретение относится к устройству для детектирования нейтронного излучения, предпочтительно тепловых нейтронов, содержащему гамма-лучевой сцинтиллятор, упомянутый сцинтиллятор содержит неорганический материал с длиной ослабления L_g менее 10 см, предпочтительно, менее 5 см для гамма-лучей с энергией 5 МэВ для обеспечения высокой способностью торможения гамма-излучения для энергичных гамма-лучей в гамма-лучевом сцинтилляторе, причем гамма-лучевой сцинтиллятор дополнительно содержит компоненты, для которых умножение сечения захвата нейтрона на концентрацию дает длину поглощения L_n для тепловых нейтронов, которая больше 0,5 см, но меньше пятикратной длины ослабления L_g, предпочтительно, меньше двукратной длины ослабления L_g для гамма-лучей с энергией 5 МэВ в сцинтилляторе, причем нейтронпоглощающие компоненты гамма-лучевого сцинтиллятора высвобождают энергию, сообщенную возбужденным ядрам после захвата нейтрона, в основном посредством гамма-излучения, причем гамма-лучевой сцинтиллятор имеет диаметр или длину края по меньшей мере 50% L_g, предпочтительно, по меньшей мере L_g, для поглощения существенной части энергии гамма-лучей, выделяемой после захвата нейтрона в сцинтилляторе, устройство дополнительно содержит детектор света, оптически соединенный с гамма-лучевым сцинтиллятором для детектирования количества света в гамма-лучевом сцинтилляторе, устройство дополнительно содержит оценивающее приспособление, соединенное с детектором света, причем приспособление способно определять количество света, детектируемого детектором света для одного события сцинтилляции, причем это количество находится в известном соотношении с энергией, сообщаемой гамма-излучением в гамма-лучевом сцинтилляторе, причем оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда измеренная полная гамма-энергия E_sum выше 2,614 МэВ. Технический результат - повышение точности детектирования нейтронов. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для детектирования нейтронного излучения, предпочтительно, тепловых нейтронов, содержащее
гамма-лучевой сцинтиллятор, содержащий неорганический материал с длиной ослабления L_g менее 10 см, предпочтительно менее 5 см, для гамма-лучей с энергией 5 МэВ для обеспечения высокой способности торможения гамма-излучения для энергичных гамма-лучей в гамма-лучевом сцинтилляторе,
причем гамма-лучевой сцинтиллятор содержит компоненты, для которых умножение сечения захвата нейтрона на концентрацию дает длину поглощения L_n для тепловых нейтронов, которая больше 0,5 см, но меньше пятикратной длины ослабления L_g, предпочтительно меньше двукратной длины ослабления L_g, для гамма-лучей с энергией 5 МэВ в сцинтилляторе, причем нейтрон-поглощающие компоненты гамма-лучевого сцинтиллятора высвобождают энергию, сообщенную возбужденным ядрам после захвата нейтрона, в основном посредством гамма-излучения,
причем гамма-лучевой сцинтиллятор имеет диаметр или длину края по меньшей мере 50% L_g, предпочтительно по меньшей мере L_g, для поглощения существенной части энергии гамма-лучей, выделяемой после захвата нейтрона в сцинтилляторе,
устройство дополнительно содержит детектор света, оптически соединенный с гамма-лучевым сцинтиллятором, для детектирования количества света в гамма-лучевом сцинтилляторе, упомянутое устройство дополнительно содержит оценивающее приспособление, соединенное с детектором света, причем это приспособление способно определять количество света, детектируемого детектором света для одного события сцинтилляции, причем это количество находится в известном соотношении с энергией, сообщаемой гамма-излучением в гамма-лучевом сцинтилляторе, причем оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда измеренная полная гамма-энергия E_sum выше 2,614 МэВ.

2. Устройство по предыдущему пункту, в котором дополнительно оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда измеренная полная гамма-энергия ниже заранее определенного порога, предпочтительно ниже 10 МэВ.

3. Устройство по п.1, в котором гамма-лучевой сцинтиллятор содержит в качестве составной части по меньшей мере один из элементов, а именно хлор (Cl), марганец (Mn), кобальт (Со), селен (Se), бром (Br), иод (I), цезий (Cs), празеодим (Pr), лантан (La), гольмий (Но), иттербий (Y), лютеций (Lu), гафний (Hf), тантал (Та), вольфрам (W) или ртуть (Hg).

4. Устройство по предыдущему пункту, в котором гамма-лучевой сцинтиллятор выбран из группы, содержащей вольфрамат свинца (PWO), иодид натрия (NaI), иодид цезия (CsI) или бромид лантана (LaBr₃).

5. Устройство по п.1, в котором гамма-лучевой сцинтиллятор содержит в качестве активатора или легирующей присадки по меньшей мере один из элементов кадмий (Cd), самарий (Sm), диспрозий (Dy), европий (Eu), гадолиний (Gd), иридий (Ir), индий (In) или ртуть (Hg).

6. Устройство по предыдущему пункту, в котором гамма-лучевой сцинтиллятор выбран из группы, содержащий легированные европием иодид стронция (SI₂) или фторид кальция (CaF₂).

7. Устройство по п.1, в котором гамма-лучевой сцинтиллятор разделен по меньшей мере на три отдельные части, причем каждая из этих частей соединена с детектором света так, чтобы можно было различать сигналы из разных частей, причем оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда по меньшей мере две разные части детектируют сигнал, обусловленный гамма-взаимодействием, после захвата нейтрона в нейтрон-поглощающих компонентах гамма-лучевого сцинтиллятора.

8. Устройство по предыдущему пункту, в котором детектор света, позволяющий различать сигналы из разных частей гамма-лучевого сцинтиллятора, представляет собой многоанодную фотоумножительную трубку.

9. Устройство по п.1, в котором гамма-лучевой сцинтиллятор по меньшей мере частично окружен экранной секцией, причем экранная секция содержит сцинтиллятор, свет, изучаемый сцинтиллятором, измеряется детектором света, причем выходные сигналы детектора света оцениваются общим оценивающим приспособлением устройства.

10. Устройство по предыдущему пункту, в котором оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда никакой сигнал с энергией, превышающей определенный порог экранирования, не детектируется из сцинтиллятора экранной секции в течение одного и того же временного интервала (антисовпадение), причем порог экранирования определяется согласно этапам
измерения толщины t, см; сцинтиллятора в третьей секции,
определения энергии E_min, МэВ, соответствующей энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, г/см³, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, МэВ/г/см²,
задания порога экранирования ниже энергии.

11. Устройство по предыдущему пункту, в котором экранная секция оптически соединена с детектором света гамма-лучевого сцинтиллятора, и оценивающее приспособление выполнено с возможностью различать сигналы из гамма-лучевого сцинтиллятора и экранной секции по их свойствам сигнала.

12. Устройство по предыдущему пункту, в котором цветосдвигающий элемент установлен между сцинтиллятором экранной секции и фотодетектором.

13. Устройство по п.9, в котором сцинтиллятор выбран из группы материалов, содержащей составные части с низким атомным номером Z, служащие в качестве замедлителя нейтронов для быстрых нейтронов.

14. Способ детектирования нейтронов, предпочтительно тепловых нейтронов, с использованием устройства по п.1, содержащий этапы, на которых
захватывают нейтрон в гамма-лучевом сцинтилляторе,
измеряют свет, излучаемый из гамма-лучевого сцинтиллятора в результате потери энергии гамма-излучения,
определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора упомянутого устройства, и
классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ.

15. Способ по предыдущему пункту, в котором событие классифицируется как захват нейтрона, только когда измеренная полная потеря энергии ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.

16. Способ детектирования нейтронов, предпочтительно тепловых нейтронов, с использованием устройства по п.7, содержащий этапы, на которых
захватывают нейтрон в гамма-лучевом сцинтилляторе,
измеряют свет, излучаемый из гамма-лучевого сцинтиллятора в результате потери энергии гамма-излучения,
определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора, и
классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ и когда потеря энергии измеряется по меньшей мере в двух частях гамма-сцинтиллятора.

17. Способ детектирования нейтронов, предпочтительно тепловых нейтронов, с использованием устройства по п.9, содержащий этапы, на которых
захватывают нейтрон в гамма-лучевом сцинтилляторе,
измеряют свет, излучаемый из гамма-лучевого сцинтиллятора в результате потери энергии гамма-излучения,
определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора,
классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ, и
когда никакой сигнал с энергией, превышающей определенный порог экранирования, не детектируется из экранного сцинтиллятора в течение одного и того же временного интервала (антисовпадение), порог экранирования определяется согласно этапам, на которых
измеряют толщину t, см, экранного сцинтиллятора,
определяют энергию E_min, МэВ, соответствующую энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в экранном сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, г/см³, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, МэВ/г/см²,
задают порог экранирования ниже энергии.

18. Способ по предыдущему пункту, в котором полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, определяется из света, излучаемого из гамма-лучевого сцинтиллятора и экранного сцинтиллятора.

19. Способ по п.17 или 18, в котором событие классифицируется как захват нейтрона, только когда полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, ниже заранее определенного порога, предпочтительно ниже 10 МэВ.

20. Способ по п.17 или 18, в котором событие классифицируется как внешнее гамма-излучение, если в экранном сцинтилляторе наблюдается потеря энергии ниже порога экранирования, но в гамма-лучевом сцинтилляторе потеря энергии не наблюдается.