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 нейтронов в смешанных полях гамма- и нейтронного излучения с использованием пешеходных или носимых радиационных мониторов для решения задач ядерной безопасности.

Указанная область применения детектора нейтронов требует создания компактных детекторов с большой чувствительной поверхностью, высокой эффективностью регистрации нейтронов и низким энергопотреблением.

1. Уровень техники.

Известен детектор нейтронов, в цилиндрическом корпусе которого размещен цилиндрический световод из оргстекла с соотношением диаметра к длине от 1:8 до 1:24 [1]. На боковую поверхность световода нанесен слой композиционного сцинтиллятора, выполненного в виде смеси ZnS(Ag) с изотопом ¹⁰В. Сбор света сцинтилляций осуществляется фотоумножителями, оптически соединенными с торцами световода. Недостатком указанного детектора является низкая эффективность регистрации тепловых нейтронов вследствие наличия только одного тонкого слоя композиционного сцинтиллятора. Геометрия чувствительного объема детектора, при которой длина существенно больше ширины, благоприятна для светосбора, однако не позволяет создавать компактные высокоэффективные детекторы нейтронов с большой чувствительной поверхностью.

Известен детектор нейтронов, содержащий корпус в виде параллелепипеда, в котором размещены два сцинтилляционных экрана, выполненные из композиционного сцинтиллятора путем прессования смеси ZnS(Ag) с LiF, обогащенного изотопом ⁶Li со степенью обогащения до 95%, и полиметилметакрилата [2]. Сбор света сцинтилляций с поверхностей экранов осуществляется с помощью спектросмещающей пластины, на торцах которой установлены фотоумножители. Эффективный сбор света возможен при условии, что длина пластины существенно больше ширины, которая определяется диаметрами фотоумножителей. Конструкция детектора позволяет создавать детекторы нейтронов с большой чувствительной поверхностью за счет увеличения ширины спектросмещающей пластины и количества фотоумножителей, установленных на ее торцах. Однако увеличение количества используемых фотоумножителей усложняет конструкцию детектора и существенно повышает его энергопотребление. Другим недостатком детектора является низкая эффективность сбора света сцинтилляций, поскольку свет сцинтилляций собирается только с торца спектросмещающей пластины.

Известен 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 [3]. Торцы волокон оптически соединены с двумя фотоумножителями. Сбор света сцинтилляций с поверхностей экрана осуществляется с помощью спектросмещающих волокон, размещенных вплотную друг к другу на каждой поверхности. Известное техническое решение не позволяет создать компактный детектор, т.к. его размеры будут увеличены за счет пучка спектросмещающих волокон, оптически соединенных с фотоумножителями. Другим недостатком детектора является использование большого количества спектросмещающих волокон, общее сечение которых требует использования фотоприемников с большой чувствительной поверхностью, а применение фотоумножителей требует высокого энергопотребления.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является детектор нейтронов (детектор типа «сэндвич»), содержащий пластины из прозрачного водородосодержащего пластика, чередующиеся с экранами, которые выполнены из композиционного сцинтиллятора путем прессования смеси люминофора на основе ZnS с LiF, обогащенного изотопом ⁶Li [4]. Пластины из прозрачного водородосодержащего пластика выполняют функции замедлителя нейтронов и световодов. Сбор света сцинтилляций осуществляют с торцов пластин с использованием воздушного конического концентратора света, соединенного с фотоприемником. Недостатком известного технического решения, принятого за прототип, является невозможность создания компактных детекторов с большой чувствительной поверхностью и низким энергопотреблением по следующим причинам. Для повышения эффективности регистрации нейтронов требуется использовать несколько слоев пластин световодов и сцинтилляционных экранов, что приводит к увеличению толщины детектора. При увеличении ширины детектора потребуется увеличение количества фотоприемников для сбора света сцинтилляций. При этом возрастет энергопотребление детектора и его размер из-за увеличившегося количества концентраторов света. Другим недостатком детектора является низкая эффективность сбора света сцинтилляций, поскольку свет сцинтилляций собирается только с торцов световодов с использованием концентраторов света, который обладает «a priori» большими световыми потерями. В то же время, увеличение толщины детектора ухудшает условия светосбора и увеличивает габариты детектора из-за увеличения входного диаметра и, соответственно, длины концентратора света.

Задачей изобретения является повышение эффективности регистрации детектора нейтронов с большой чувствительной поверхностью путем улучшения сбора света сцинтилляций при обеспечении низкого энергопотребления.

2. Раскрытие изобретения.

Данная задача решается за счет того, что в детекторе нейтронов, включающем фотоприемник и пластины замедлителя из прозрачного водородосодержащего пластика, которые чередуются со слоями материала, содержащего сцинтиллятор и конвертор тепловых нейтронов, отличающийся тем, что дополнительно содержит спектросмещающее волокно, намотанное в один слой на торцевую поверхность пластин, концы которого оптически соединены с фотоприемником. В качестве прозрачного водородосодержащего пластика преимущественно используют акрил, полистирол, поливинилтолуол, в т.ч. и со спектросмещающими добавками, а пластины замедлителя выполняют в форме диска. В качестве сцинтиллятора преимущественно используют люминофор на основе ZnS, легированный Ag, Те, а в качестве конвертора тепловых нейтронов преимущественно используют вещества, содержащие нуклиды ⁶Li, ¹⁰В и ²³⁵U.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью существенных признаков, является повышение эффективности регистрации нейтронов за счет улучшения сбора света сцинтилляций, которое достигается тем, что свет собирается в отличие от прототипа со всей торцевой поверхности пластин замедлителя. К снижению световых потерь приводит также отсутствие в конструкции концентратора света.

Использование в качестве замедлителя пластических сцинтилляторов позволяет получить дополнительный положительный эффект, состоящий в расширении функциональных возможностей детектора, а именно раздельной регистрации гамма- и нейтронного излучений.

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.1 изображена принципиальная схема детектора нейтронов, который содержит пластины из прозрачного водородосодержащего пластика - 1, слой материала, содержащего сцинтиллятор и конвертор тепловых нейтронов - 2, намотанные на торцы пластин в один слой спектросмещающие волокна - 3, торцы которых оптически соединены, по крайней мере, с одним фотоприемником - 4. На внешнюю сторону пластин нанесено диффузное светоотражающее покрытие.

На фиг.2 представлено сечение детектора нейтронов плоскостью, перпендикулярной его чувствительной поверхности. Слой материала, содержащего сцинтиллятор и конвертор тепловых нейтронов - 2, выполнен в виде гранул смеси сцинтиллятора и конвертора тепловых нейтронов, заключенных в объем, ограниченный двумя пластинами из прозрачного водородосодержащего пластика - 1 и кольцом - 5, которое выполнено из того же материала.

На фиг.3 представлено сечение детектора нейтронов плоскостью, перпендикулярной его чувствительной поверхности, который для повышения эффективности регистрации нейтронов содержит пять слоев смеси сцинтиллятора и конвертора тепловых нейтронов.

На фиг.4 представлен спектр высвечивания люминофора ZnS, активированного Ag с максимумом в спектре, приходящимся на длину волны 460 нм.

На фиг.5 представлены спектры поглощения - 1 и высвечивания - 2 спектросмещающего волокна Y-8 фирмы Kuraray [5]. Как видно из графиков, представленных на фиг.4 и фиг.5, спектр поглощения спектросмещающего волокна находится в области спектра высвечивания композиционного сцинтиллятора, в данном случае ZnS(Ag). Свет сцинтилляций, попадая на спектросмещающее волокно, переизлучается в более длинноволновую область с максимумом на длине волны 515 нм.

На фиг.6 представлена спектральная зависимость квантовой эффективности регистрации спектра высвечивания спектросмещающего волокна кремниевым фотоэлектронным умножителем. Квантовая эффективность регистрации спектра высвечивания с максимумом на длине волны 515 нм составляет 25%

На фиг.7 представлен экспериментально измеренный детектором нейтронов энергетический спектр импульсов, возникающих при его облучении Pu-Ве нейтронным источником.

4. Описание работы детектора нейтронов.

Для регистрации нейтронов предложенным детектором нейтронов, нейтроны предварительно замедляют с использованием водородосодержащего материала до тепловых энергий. Дополнительно нейтроны замедляются пластинами-световодами самого детектора. Тепловые нейтроны взаимодействуют с веществом конвертора, содержащим нуклиды ⁶Li, ¹⁰В и ²³⁵U с испусканием заряженных частиц. При этом протекают следующие ядерные реакции:

Заряженные частицы за счет процессов ионизации, протекающих в сцинтилляторе, возбуждают атомы. Возвращаясь в основное состояние, атомы испускают фотоны. Фотоны распространяются по световоду, затем попадают на боковую поверхность спектросмещающего волокна и перевысвечиваются в длинноволновой диапазон. За счет эффекта полного внутреннего отражения свет распространяется по спектросмещающему волокну и регистрируется фотоприемником, оптически соединенным с его торцами. Использование в качестве сцинтиллятора люминофора 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. При использовании люминофора ZnS, активированного Те достигается повышение быстродействия детектора более чем в два раза за счет уменьшения длины импульса высвечивания.

Использование в качестве фотоприемника кремниевого фотоумножителя позволяет повысить квантовую эффективность регистрации света в диапазоне 500 нм по сравнению с традиционными вакуумными фотоумножителями и существенно снизить энергопотребление.

Использование в качестве пластин-световодов органических сцинтилляторов, длительность высвечивания которых примерно в 100 раз меньше длительности высвечивания ZnS(Ag), позволяет осуществить раздельную регистрацию гамма- и нейтронного излучений при использовании электронных схем разделения импульсов по их форме.

5. Осуществление изобретения.

Экспериментальный образец детектора нейтронов содержал два диска толщиной 3 мм и диаметром 200 мм, выполненных из акрила, между которыми был расположен экран толщиной 450 мкм, выполненный путем прессования смеси ZnS(Ag) с LiF, обогащенного изотопом ⁶Li со степенью обогащения до 95%, и полиметилметакрилата. Чувствительная поверхность детектора нейтронов составляла 314 см². На боковую поверхность дисков было навито спектросмещающее волокно KURARAY Y-8 диаметром 1 мм. Оба конца спектросмещающего волокна были оптически соединены с кремниевым фотоумножителем SensL MicroSB-30035-X13. При облучении детектора нейтронов излучением Pu-Ве нейтронного источника, окруженного слоем полиэтилена толщиной 50 мм, был получен спектр импульсов, приведенный на фиг.7. Аналогичный спектр импульсов был получен при использовании детектора нейтронов, содержащего в качестве световода-замедлителя пластину из акрила с чувствительной поверхностью 20 см² и такой же сцинтилляционный экран [7].

Таким образом, при том же энергопотреблении и внутренней эффективности регистрации нейтронов, поскольку использовался одинаковый сцинтилляционный экран, предложенный детектор имел в 15=(314/20) раз большую эффективность регистрации тепловых нейтронов за счет большей чувствительной поверхности.

Источники информации

1. Bridgeport Instruments, LLC http://www.bridgeportinstruments.com/products/ncounter/ncounter.html

2. 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 МАО 1754.

3. Full Scale Coated Fiber Neutron Detector Measurements. RT Kouzes, JH Ely, LE Erikson, WJ Keman, DC Stromswold, ML Woodring, March 17, 2010. PNNL-19264.

4. Патент США №US 7372040 В2, нац. кл. 250/390.01, МПК G01T 1/24, заяв. 12.06.2007 (прототип).

5. АЗИМУТ ФОТОНИКС. Сцинтилляционное оптоволокно KURARAY. http://www.azimp.ru/catalogue/l 11/259/

6. АЗИМУТ ФОТОНИКС. Кремниевые фотоумножители. http://www.azimp.ru/catalogue/silicon-photomultipliers2/

7. Садыков Р.А. «Разработка нейтронных детекторов на основе сцинтилляторов ZnS(Ag) /LiF и борсодержащих пластиков», ИЯИ РАН от 05.02.2013 г.

Изобретение относится к устройствам для измерения нейтронного излучения с помощью сцинтилляционных детекторов. Детектор нейтронов содержит фотоприемник и пластины из прозрачного водородосодержащего пластика, которые чередуются со слоями материала, содержащего сцинтиллятор и конвертор тепловых нейтронов, при этом дополнительно содержит спектросмещающее волокно, намотанное в один слой на торцевую поверхность пластин, концы которого оптически соединены с фотоприемником. Технический результат - повышение эффективности регистрации нейтронов. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Детектор нейтронов, включающий фотоприемник и пластины из прозрачного водородосодержащего пластика, которые чередуются со слоями материала, содержащего сцинтиллятор и конвертор тепловых нейтронов, отличающийся тем, что дополнительно содержит спектросмещающее волокно, намотанное в один слой на торцевую поверхность пластин, концы которого оптически соединены с фотоприемником.

2. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве прозрачного водородосодержащего пластика преимущественно используют акрил, полистирол, поливинилтолуол.

3. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве прозрачного водородосодержащего пластика преимущественно используют органические сцинтилляторы.

4. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что пластины замедлителя выполняют в форме диска.

5. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллятора преимущественно используют люминофор на основе ZnS, легированный Ag, Те.

6. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве конвертора тепловых нейтронов преимущественно используют вещества, содержащие нуклиды ⁶Li, ¹⁰В и ²³⁵U.

7. Детектор нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника используют кремниевый фотоэлектронный умножитель.