ЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ ОТ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G21F1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для изготовления защитного материала от нейтронного излучения, а также к детекторам гамма-излучения, содержащим защитную оболочку.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по заявленному защитному материалу является защитный материал, раскрытый в RU 2111558 С1, опубл. 20.05.1998. Известный из наиболее близкого аналога защитный материал от нейтронного излучения содержит наполнитель, пластичную синтетическую массу и поверхностно-активное вещество (ПАВ), при следующем соотношении компонентов, мас. %: наполнитель - 60-96; пластичная синтетическая масса - 4-40; ПАВ - 0,1-0,5 (сверх 100%). В качестве пластичной синтетической массы используют смесь каучука и пластификатора. В качестве наполнителя используют компонент, выбранный из группы: оксид свинца, фтористый литий, бор, соединения бора, гидрид титана, порошкообразный свинец, окись висмута, двуокись урана, двуокись тория, вольфрам, оксид вольфрама (III), оксиды редкоземельных элементов. В качестве ПАВ используют катионат-7 или лецитин.

Недостатком наиболее близкого аналога является потенциальная возможность возникновения неоднородностей в составе вещества, из-за которых, в свою очередь, возможно возникновение локальных областей с менее эффективным поглощением нейтронов. Это может привести к ухудшению характеристик защитного материала в целом. Кроме того, использование твердого материала в ряде случаев удобнее пастообразного - например, для обеспечения однородной толщины защитного материала вокруг детектора или при использовании изделия из такого материала в качестве элемента конструкции сложных систем.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по заявленному детектору является сцинтилляционный детектор гамма-излучения, раскрытый в RU 2158011 С2, опубл. 20.10.2000. Известный из наиболее близкого аналога детектор содержит сцинтилляционный кристалл Bi₄Ge₃O₁₂, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и блок обработки сигналов. При этом кристалл расположен в двухслойном коллиматоре, внешний слой которого выполнен из водородсодержащего замедлителя нейтронов полиэтилена, а внутренний - из кадмия. Причем кристалл выполнен с колодцем, в котором размещено чувствительное к нейтронам сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы.

Недостатком наиболее близкого аналога является наличие внутреннего слоя из кадмия, который при взаимодействии с тепловыми нейтронами излучает вторичное гамма-излучение в области 558-9044 кэВ (наиболее интенсивная линия - 55 8 кэВ). В результате детектором будут регистрироваться большое число фоновых импульсов, что приведет к увеличению загрузки детектора и снижению точности измерения спектра.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача предлагаемого технического решения состоит в разработке защитного материала, обеспечивающего поглощение нейтронного излучения, а также детектора гамма-излучения, содержащего оболочку из защитного материала, обеспечивающего точность измерения.

Техническим результатом изобретения является повышение поглощения нейтронного излучения и точности измерения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что твердый защитный материал от нейтронного излучения содержит фтористый литий, полиэфирную смолу и отвердитель при следующем соотношении компонентов, мас. %:

фтористый литий - 38-45;

полиэфирная смола - 54,2-60,8;

отвердитель - 0,813-1,2.

В качестве отвердителя применяют пероксид метилэтилкетон.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что сцинтилляционный детектор гамма-излучения, содержащий цилиндрический корпус и оболочку в верхней его части, причем внутри корпуса в верхней его части размещен сцинтилляционный кристалл на основе NaI, а в нижней части корпуса - фотоэлектронный умножитель, оптически связанный с кристаллом, при этом оболочка выполнена из раскрытого выше материала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - продольный разрез детектора

1 - корпус детектора;

2 - оболочка;

3 - кристалл на основе LiI;

4 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ);

5 - Разъемы ФЭУ.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для изготовления защитного материала из смеси, содержащей фтористый литий, полиэфирную смолу и отвердитель в заявленных соотношениях в лопастной смеситель, загружают полиэфирную смолу и отвердитель в необходимых количествах и перемешивают при температуре 20-25°С до получения однородной массы. Затем в смеситель добавляют фтористый литий в необходимом количестве и перемешивают до получения однородной массы. Затем полученный пастообразный материал выгружают и заливают в форму. Получают пасту плотностью 1790 кг/м³, которая в течение 15-20 минут отвердевает с получением материала прочностью 80 МПа.

Введение в состав защитного материала фтористого лития обеспечивает повышение поглощения нейтронного излучения, полиэфирной смолы - получение однородности смеси заявленного материала, отвердитель - получение прочного твердого защитного материала.

Как показали эксперименты (см. таблицу), заявленные соотношения полиэфирной смолы, фтористого лития и отвердителя позволяют получить защитный материал, эффективно поглощающий нейтронное излучение за счет того, что частицы фтористого лития в заявленном соотношении равномерно распределены по объему в заявленном материале при ограниченном времени затвердевании материала. Уровень поглощения нейтронного излучения оценивали по величине макроскопического сечения заявленного материала, являющегося характеристикой величины поглощения нейтронного излучения.

При снижении содержания фтористого лития в смеси не обеспечивается равномерное содержание фтористого лития в смеси при ограниченном времени, затвердевании материала, следовательно, приводит к снижению поглощения нейтронного излучения. При повышении содержания фтористого лития в смеси трудно получить однородную пастообразную смесь, возникают значительные трудности для загрузки смеси в форму, следовательно, приводит к снижению поглощения нейтронного излучения. Кроме того, значительно уменьшается количество водорода, который играет роль при ослаблении потока быстрых нейтронов.

В таблице приведены результаты экспериментов для заявленной массы твердого защитного материала и при работе заявленного детектора, содержащего оболочку из защитного материала.

На фиг. 1 изображен сцинтилляционный детектор гамма-излучения, содержащий цилиндрический корпус (1) и оболочку (2), размещенную над корпусом (1) в верхней его части. Причем внутри корпуса (1) в верхней его части размещен сцинтилляционный кристалл (3) на основе NaI, а в нижней части корпуса - ФЭУ (4), оптически связанный с кристаллом (3), при этом оболочка (2) выполнена в виде стакана из вышеописанного материала.

Сцинтилляционный детектор гамма-излучения работает следующим образом. В результате взаимодействия тепловых нейтронов с материалом защитной оболочки (2) возникают гамма-кванты, при этом оболочка (2) поглощает тепловые нейтроны, не допуская их до кристалла (3). Гамма-квант, проходя через сцинтиллятор - кристалл NaI (3), наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбужденное (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Фотоны, попадая на катод ФЭУ (4), выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ (4) возникает электрический импульс, который далее усиливается с помощью усилителя ФЭУ (4) и регистрируется блоком электронной обработки сигналов (на фиг. 1 не показан), подключенным к разъемам (5), ФЭУ (4) детектору через кабель.

Таким образом, детектор регистрирует частицы (гамма-кванты, нейтроны и т.д.), пролетающие через кристалл NaI. Оболочка из композита LiF предназначена для экранирования кристалла детектора от нейтронного излучения.

Как показали эксперименты (см. табл.), заявленная оболочка из композитного материала эффективно способствует поглощению нейтронного излучения, что приводит к снижению регистрации фонового излучения детектором и соответственно увеличению точности измерения спектра гамма-излучения. Это объясняется тем, что в отличие от защитного материала, применяемого для оболочки наиболее близкого аналога, а также борированного этилена, также являющегося эффективным защитным материалом от нейтронного излучения, в заявленной оболочке защитный материал на основе фтористого лития не имеет сопутствующих линий гамма-излучения при взаимодействии лития с тепловыми нейтронами, в отличие материала наиболее близкого аналога (Cd) и борированного полиэтилена, которые имеют линии вторичного гамма-излучения 558 и 478 кэВ соответственно. Это позволяет значительно снизить регистрацию фонового излучения детектором по указанным выше линиям и, как следствие, повысить точность измерения спектра. Применение указанного решения позволяет улучшить параметры установок нейтронного радиационного анализа, упростить их конструкцию и техническое обслуживание.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить защитный материал, обеспечивающий поглощение нейтронного излучения, и детектор гамма-излучения, содержащий оболочку из защитного материала, обеспечивающую его точность измерения.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для изготовления защитного материала от нейтронного излучения, а также к детекторам гамма-излучения, содержащим защитную оболочку. Твердый защитный материал от нейтронного излучения включает смесь компонентов, содержащую фтористый литий, полиэфирную смолу и отвердитель при следующем соотношении компонентов, мас. %: фтористый литий - 38-45; полиэфирная смола - 54,2-60,8; отвердитель - 0,813-1,2. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения содержит цилиндрический корпус (1), содержащий сцинтилляционный кристалл (3) на основе NaI, оболочку (2), фотоэлектронный умножитель (4) и разъемы (5) для подключения блока электронной обработки сигналов. Техническим результатом является повышение поглощения нейтронного излучения и точности измерения при повышении однородности и прочности защитного материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Твердый защитный материал от нейтронного излучения, содержащий фтористый литий, полиэфирную смолу и отвердитель при следующем соотношении компонентов, мас. %:
фтористый литий - 38-45;
полиэфирная смола - 54,2-60,8;
отвердитель - 0,813-1,2.

2. Материал по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве отвердителя применяют пероксид метилэтилкетон.

3. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения, содержащий цилиндрический корпус и оболочку, размещенную над корпусом в верхней его части, причем внутри корпуса в верхней его части размещен сцинтилляционный кристалл на основе NaI, а в нижней части корпуса - фотоэлектронный умножитель, оптически связанный с кристаллом, при этом оболочка выполнена в виде стакана из материала по пп. 1-2.