ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 2015 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к устройствам для измерения нейтронного излучения с помощью сцинтилляционных детекторов. Основная область применения предлагаемого детектора нейтронов - это регистрация быстрых и тепловых нейтронов в смешанных полях гамма и нейтронного излучения для целей ядерной безопасности, изучения широких атмосферных ливней и режекции электронных и адронных ливней на исследовательских космических станциях. Указанные области применения детектора нейтронов требуют создания детекторов с большой чувствительной поверхностью, высоким быстродействием и низкой чувствительностью к гамма-излучению. Поэтому известные детекторы нейтронов на основе монокристаллов не могут быть использованы для решения поставленных задач.

1. Уровень техники.

Современные технологии в принципе позволяют создать детекторы тепловых нейтронов с большой чувствительной поверхностью на основе счетчиков, содержащих газы ³He и BF₃. Однако такие детекторы имеют низкое быстродействие, обусловленное медленным дрейфом электронов, которые вызваны ионизацией газа заряженными частицами, образующимися в результате ядерных реакций при взаимодействии тепловых нейтронов с изотопами ³He и ¹⁰B. Другим недостатком указанных газоразрядных детекторов является дефицит ³He, вызванный сокращением производства ядерного оружия [1].

Известен детектор нейтронов, в цилиндрическом корпусе которого размещен цилиндрический световод из оргстекла с соотношением диаметра к длине от 1:8 до 1:24 [2]. На боковую поверхность световода нанесен слой композиционного сцинтиллятора, выполненного в виде смеси ZnS(Ag) с изотопом ¹⁰B. Сбор света сцинтилляций осуществляется фотоумножителями, оптически соединенными с торцами световода. Недостатком указанного детектора является низкая эффективность регистрации тепловых нейтронов вследствие тонкого слоя композиционного сцинтиллятора, который имеет низкую прозрачность к собственному излучению.

Известен детектор нейтронов, содержащий корпус в виде параллелепипеда, в котором размещены два сцинтилляционных экрана, выполненных из композиционного сцинтиллятора путем прессования смеси ZnS(Ag) с LiF, обогащенного изотопом ⁶Li со степенью обогащения до 95%, и полиметилметакрилата [3].

Сбор света сцинтилляций с поверхностей экранов осуществляется с помощью спектросмещающей пластины, на торцах которой установлены фотоумножители. Указанная конструкция детектора не позволяет эффективно собрать световое излучение, перевысвеченное пластиной из-за неэффективного использования площади фотокатода фотоумножителей.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является детектор нейтронов, содержащий корпус в виде параллелепипеда, в котором размещен сцинтилляционный экран, выполненный из композиционного сцинтиллятора путем прессования смеси ZnS(Ag) с LiF, обогащенного изотопом ⁶Li со степенью обогащения до 95%, и полиметилметакрилата [4]. Торцы волокон оптически соединены с двумя фотоумножителями. Применение поликристаллического сцинтиллятора ZnS(Ag) обусловлено его уникальными сцинтилляционными характеристиками: высокой конверсионной эффективностью, достигающей 20-25%, высокой эффективностью регистрации α-излучения (α/β~1), высоким световыходом до 160000 фотонов/МэВ. Сбор света сцинтилляций с поверхностей экрана осуществляется с помощью спектросмещающих волокон, размещенных вплотную друг к другу на каждой поверхности как показано.

На фиг.1 представлена конструкция указанного детектора нейтронов, который содержит: корпус 1, экран из композиционного сцинтиллятора 2, спектросмещающие световоды 3.

На фиг.2 приведен спектр высвечивания ZnS(Ag) с максимальной длиной волны 460 нм.

На фиг.3 представлены спектры поглощения 1 и высвечивания 2 спектросмещающего волокна Y-8 фирмы Kuraray [5].

Как видно из графиков, представленных на фиг.2 и 3, спектр поглощения спектросмещающих волокон находится в области спектра высвечивания композиционного сцинтиллятора, в данном случае ZnS(Ag). Свет сцинтилляций, попадая на спектросмещающее волокно, переизлучается в более длинноволновую область и регистрируется фотоумножителями. Использование гибких спектросмещающих волокон позволяет эффективно собирать свет сцинтилляций с большой поверхности на фотокатоды фотоумножителей.

Вследствие небольшого диаметра спектросмещающего волокна, равного 1-2 мм, путем сведения волокон в пучок достигается эффективное использование поверхности фотоумножителя. Тем не менее, недостатком указанного детектора нейтронов является его недостаточная эффективность регистрации из-за неэффективного сбора света спектросмещающими волокнами.

Задачей изобретения является создание детектора нейтронов с высокой эффективностью регистрации путем обеспечения условий для эффективного сбора света сцинтилляций.

2. Раскрытие изобретения.

Данная задача решается за счет того, что детектор нейтронов, содержащий корпус, в котором размещены композиционный сцинтиллятор, спектросмещающие волокна, спектр поглощения которых находится в области спектра высвечивания композиционного сцинтиллятора, и, по крайней мере, один фотоприемник, с которым оптически соединены торцы спектросмещающих волокон, отличается тем, что композиционный сцинтиллятор выполнен в виде отдельных гранул, которые расположены, по крайней мере, в один слой вокруг спектросмещающих волокон.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью существенных признаков, является повышение эффективности регистрации за счет сбора света сцинтилляций всей боковой поверхностью спектросмещающих волокон, а не только ее частью, как это было в техническом решении, принятом за прототип. При этом, свет сцинтилляций претерпевает меньшее ослабление при своем движении от места возникновения до поверхности спектросмещающего волокна, поскольку отдельные гранулы расположены, по крайней мере, в один слой вокруг спектросмещающих волокон.

Дополнительным положительным эффектом изобретения является повышение эффективности регистрации нейтронов по сравнению с прототипом при одновременном уменьшении количества спектросмещающих волокон.

Предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку причинно-следственная связь между целью изобретения и его существенными признаками является новой и неизвестна из уровня техники. Патентные исследования не выявили источников информации, порочащих новизну совокупности существенных признаков заявленного технического решения.

3. Краткое описание чертежей.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.4 изображена принципиальная схема детектора нейтронов, который содержит корпус 1, композиционный сцинтиллятор 2, спектросмещающие волокна 3, торцы которых оптически соединены, по крайней мере, с одним фотоприемником 4.

На фиг. 5 изображено поперечное сечение А-А предложенного детектора нейтронов: корпус 1, композиционный сцинтиллятор 2, спектросмещающие волокна 3.

На фиг.6 изображена принципиальная схема детектора нейтронов, содержащего дополнительно концентратор света в виде монолитного фокона - 5, остальные обозначения те же, что и на фиг.4.

В зависимости от состава композиционного сцинтиллятора детектор нейтронов может регистрировать как быстрые, так и тепловые нейтроны. При выполнении композиционного сцинтиллятора из монокристаллических гранул антрацена, стильбена, n-терфенила, Gd₂SiO₅(Ce), Gd₂Si₂O₇(Ce), CdWO₄, ZnWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂, LiI(Eu), NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), BaF₂, LaBr₃(Ce), Lu₂SiO₅(Ce), ZnS(Ag, Те), ZnSe(Te, Al, Ga, О), детектор регистрирует быстрые нейтроны по протонам отдачи, возникающим при взаимодействии быстрых нейтронов с атомами водорода в спектросмещающих волокнах, которые в свою очередь вызывают сцинтилляционные вспышки в вышеперечисленных сцинтилляционных гранулах.

Еще одним механизмом регистрации быстрых нейтронов является неупругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах элементов, входящих в состав сцинтилляционных гранул [6]. При выполнении композиционного сцинтиллятора из монокристаллических гранул Gd₂SiO₅(Ce), Gd₂Si₂O₇(Ce), CdWO₄, а так же из гранул LiI(Eu), ZnS(Ag, Те), ZnSe(Te, Al, Ga, О), содержащих дополнительно изотопы ⁶Li, ¹⁰В и ²³⁵U, детектор регистрирует тепловые нейтроны на основе вызываемых ядерных реакций с образованием заряженных частиц и гамма-квантов:

n+¹⁵⁵Gd → Gd* → электроны внутренней конверсии + Е_γ

n+¹⁵⁷Gd → Gd* → электроны внутренней конверсии + Е_γ

n+¹¹³Cd → ¹¹⁴Cd+E_γ

n+⁶Li → ⁴He+³H+4,79 МэВ

n+¹⁰B → ⁷Li*+⁴He+2,31 МэВ+E_γ (0,48 МэВ)

→ ⁷Li*+⁴He+2,78 МэВ

n+²³⁵U → заряженные осколки деления.

Заряженные частицы и гамма-излучение за счет процессов ионизации, протекающих в сцинтилляционных гранулах, возбуждают атомы и молекулы. Возвращаясь в основное состояние, атомы испускают фотоны. Фотоны, попадая в спектросмещающее волокно, в свою очередь, вызывают его свечение в более длинноволновом диапазоне. Свет за счет эффекта полного внутреннего отражения распространяется по спектросмещающему волокну и регистрируется фотоприемниками, оптически соединенными с его торцами. В качестве фотоприемника, как правило, используют вакуумный фотоэлектронный умножитель. Для повышения эффективности регистрации света, выходящего из волокна, спектр которого смещен в область более длинных волн по сравнению со спектром сцинтилляционных фотонов, в качестве фотоприемника предлагается использовать твердотельный кремниевый фотоумножитель [7]. Спектральная чувствительность кремниевого фотоумножителя существенно выше спектральной чувствительности вакуумного фотоэлектронного умножителя в диапазоне длин волн (500-1000 нм) высвечивания спектросмещающих волокон.

Детектор нейтронов с большой чувствительной поверхностью содержит большое число спектросмещающих волокон, общая площадь сечения которых, как правило, превосходит площадь промышленно выпускаемых кремниевых фотоумножителей. Для согласования общей площади сечения спектросмещающих волокон с чувствительной поверхностью кремниевых фотоумножителей предлагается дополнительно использовать концентраторы света, выполненные в виде фокона [8].

4. Осуществление изобретения.

Экспериментальный образец детектора нейтронов содержал 9 спектросмещающих волокон BCF-91A (Saint-Gobain) длиной 1000 мм со спектром высвечивания в районе 490 нм. Общая площадь чувствительной поверхности детектора нейтронов составляла 120 см². Торцы волокон диаметром 2 мм были оптически соединены с двумя кремниевыми фотоумножителями фирмы Ketek с чувствительной поверхностью размером 6×6 мм². Композиционный сцинтиллятор был выполнен из гранул ZnS(Ag), содержащих изотоп ¹⁰В. На фиг.7 представлен амплитудный спектр импульсов, полученный при облучении детектора потоком тепловых нейтронов при использовании в качестве композиционного сцинтиллятора гранул ZnS(Ag), содержащих изотоп ¹⁰В. При измерении потока нейтронов, испускаемых Pu-Ве источником, окруженным слоем полиэтилена толщиной 50 мм, была получена эффективность регистрации тепловых нейтронов около 90% при расположении волокон в 3 слоя по 3 волокна в каждом слое.

Источники информации

1. A review of neutron detection technology alternatives to helium-3 for safeguards applications. A.P. Simpson, S. Jones, M.J. Clapham and S.A. McElhaney. Pajarito Scientific Corporation, Santa Fe, NM, 87505, USA.

2. Bridgeport Instruments, LLC.

http://www.bridgeportinstruments.com/products/ncounter/ncounter.html

3. The development of a scalable he-3 free neutron detection technology and its potential use in nuclear security and physical protection applications. Matthew Dallimore, Calvin Giles*, David Ramsden* and Geraint S. Dermody. Symetrica Inc. 1 Clock Tower Place, Suite 130, Maynard MA 01754.

4. Full Scale Coated Fiber Neutron Detector Measurements. RT Kouzes, JH Ely, LE Erikson, WJ Kernan, DC Stromswold, ML Woodring, March 17, 2010. PNNL-19264 (прототип).

5. АЗИМУТ ФОТОНИКС. Сцинтилляционное оптоволокно KURARAY.

http://www.azimp.ru/catalogue/111/259/.

6. Method of detection of fast neutrons US 8058624 B2. Дата приоритета: 5 май 2008 г. Дата публикации: 15 ноября 2011 г.

7. АЗИМУТ ФОТОНИКС. Кремниевые фотоумножители.

http://www.azimp.ru/catalogue/silicon-photomultipliers2/.

8. Физическая энциклопедия - Фокон.

http://enc-dic.com/enc_physics/Fokon-2720.html.

Изобретение относится к устройствам для измерения нейтронного излучения с помощью сцинтилляционных детекторов. Детектор нейтронов содержит корпус, в котором размещены композиционный сцинтиллятор, спектросмещающие волокна, спектр поглощения которых находится в области спектра высвечивания композиционного сцинтиллятора и, по крайней мере, один фотоприемник, с которым оптически соединены торцы спектросмещающих волокон, при этом композиционный сцинтиллятор выполнен в виде отдельных гранул, которые расположены, по крайней мере, в один слой вокруг спектросмещающих волокон. Технический результат - повышение эффективности регистрации нейтронов. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Детектор нейтронов, содержащий корпус, в котором размещены композиционный сцинтиллятор, спектросмещающие волокна, спектр поглощения которых находится в области спектра высвечивания композиционного сцинтиллятора, и, по крайней мере, один фотоприемник, с которым оптически соединены торцы спектросмещающих волокон, отличающийся тем, что композиционный сцинтиллятор выполнен в виде отдельных гранул, которые расположены, по крайней мере, в один слой вокруг спектросмещающих волокон.

2. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что композиционный сцинтиллятор выполнен из монокристаллических гранул антрацена, стильбена, n-терфенила, Gd₂SiO₅(Ce), Gd₂Si₂O₇(Ce), CdWO₄, ZnWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂, LiI(Eu), NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), BaF₂, LaBr₃(Ce), Lu₂SiO₅(Ce), ZnS(Ag, Те), ZnSe(Te, Al, Ga, O).

3. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что композиционный сцинтиллятор дополнительно содержит изотопы ⁶Li, ¹⁰В и ²³⁵U.

4. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника используют кремниевый фотоумножитель.

5. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по крайней мере, один концентратор света, вход которого оптически соединен с торцами спектросмещающих волокон, а выход оптически соединен с фотоприемником.

6. Детектор нейтронов по п. 5, отличающийся тем, что концентратор света выполнен в виде фокона.