Способ и устройство формирования спектральных характеристик измерительных каналов нейтронных детекторов Российский патент 2022 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при создании спектрометров и дозиметров нейтронного излучения с широким энергетическим диапазоном.

В настоящее время ни нейтронные детекторы, ни готовые блоки детектирования не аттестуются по спектральным характеристикам. За рубежом серийно производятся и разнообразные сцинтилляторы, и готовые нейтронные детекторы в комплекте с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) и даже с электронными усилителями, но по спектральным характеристикам они также не аттестуются, поскольку измерить их нечем, а точный расчет их достаточно сложен. Но без знания их спектральных характеристик невозможно не только измерить спектральный состав произвольных нейтронных потоков, но и достоверно определить их интегральную плотность и дозовые характеристики.

В [1] был предложен много детекторный метод измерения энергетических спектров произвольных нейтронных потоков в реальном времени. Он основан на одновременном измерении исследуемого нейтронного потока несколькими детекторами с различными спектральными характеристиками с последующим вычислительным восстановлении энергетического спектра исследуемого потока по их откликам. Однако, его реализация наталкивается на сложность подбора детекторов с достаточно разнообразными и точно известными спектральными характеристиками.

Из всех типов нейтронных детекторов наибольшими возможностями по воздействию на их спектральные характеристики обладают сцинтилляционные детекторы на основе полистирола. На практике используются три способа таких воздействий: путем варьирования геометрических размеров (толщины) сцинтиллятора (при этом изменяется его эффективность к нейтронам высоких энергий); погружение сцинтиллятора в замедлитель нейтронов различной толщины (используется в многошаровых спектрометрах Боннера) и различных устройствах спектрометрии нейтронного излучения; добавление в состав сцинтиллятора бора-10 или лития-6, активно поглощающих нейтроны низких энергий с вылетом альфа-частиц, вызывающих при торможении в веществе сцинтиллятора яркие вспышки.

Наиболее широко применяется второй способ - погружение детекторов в замедлитель нейтронов (водородсодержащее вещество, обычно используется полиэтилен). В частности, этот способ используется в получивших широкую известность в Европе и США многошаровых спектрометрах Боннера. Однако, этот способ при попытках параллельного включения нескольких детекторов с различными спектральными характеристиками приводит к недопустимому для переносных приборов росту их массогабаритных характеристик.

Таким образом, из указанных способов применительно к много детекторному нейтронному спектрометру могут быть использованы все кроме второго - погружение детектора в замедлитель нейтронов на различную глубину.

К этим известным способам предлагается еще один способ - многопороговая амплитудная дискриминации выходных импульсов детектора. Этот способ основан на том, что в сцинтилляционных нейтронных детекторах и, особенно, в детекторах с небольшой толщиной сцинтилляторов, нейтронам одной и той же энергии соответствуют выходные импульсы разной амплитуды, причем разброс их амплитуд весьма широк. В данном случае этот недостаток обращен в пользу. Поскольку при разных порогах амплитудной дискриминации будут регистрироваться не все выходные импульсы детектора, а импульсы от нейтронов разных энергий будут регистрироваться с различной вероятностью, то различным порогам амплитудной дискриминации будут соответствовать различные спектральные характеристики детектора. Этот способ замечателен тем, что с одним и тем же детектором можно получить несколько параллельно работающих измерительных каналов с различными спектральными характеристиками.

Амплитудная дискриминация выходных импульсов детекторов ионизирующих излучений широко применяется в технике измерений этих излучения для отделения полезных импульсов, вызванных попавшими в активное вещество детектора частицами, от шумовых. При этом порог амплитудной дискриминации устанавливался выше максимальных амплитуд шумовых импульсов, но ниже амплитуд импульсов, порождаемых детектируемыми частицами. Конечно, вследствие высокой стохастичности процессов взаимодействия частиц с активным веществом детектора, некоторая часть порождаемых ими импульсов может оказаться ниже порога дискриминации, но это всего лишь приводит к некоторому уменьшению эффективности детектора.

Ранее для целенаправленного воздействия на спектральные характеристики детекторов этот способ не применялся. Поэтому использовать способ амплитудной дискриминации выходных импульсов детектора для отделения полезных сигналов от шумов в качестве прототипа будет неправомерно, поскольку цели их совершенно различны. С учетом этого, в качестве прототипа можно использовать способ погружения детектора в замедлитель нейтронов на различную глубину, что делается именно для изменения спектральных характеристик получаемых комбинаций детектора с замедлителями нейтронов разной толщины. Этот способ применяется в многошаровых спектрометрах Боннера [2-4], где используется от 4-х до 12 шаров из полиэтилена диаметрами от 5 до 50 см, последовательно надеваемых на детектор так, чтобы детектор оказался в центре шара. Известно также использование этого способа для создания нескольких параллельно работающих измерительных каналов для раздельной регистрации тепловых промежуточных и быстрых нейтронов в блоке детектирования БДКС-05С нейтронного радиометра-дозиметра МКС-03С [5]. Однако, в этом случае для каждого измерительного канала используются отдельные детекторы, погруженные в замедлитель нейтронов на различную глубину. Тем не менее, это просто различные реализации одного и того же способа получения измерительных каналов с различными спектральными характеристиками, который и взят в качестве прототипа.

Основными недостатками способа, взятого за прототип, является невозможность одновременного получения с одним детектором нескольких измерительных каналов с различными спектральными характеристиками и резкое увеличение массогабаритных характеристик детектора в комбинации с замедлителем нейтронов.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно, обеспечение возможности получения от одного детектора нескольких параллельно работающих измерительных каналов с различными спектральными характеристиками, функционирующих в режиме реального времени.

Поставленная задача достигается тем, что устройство формирования спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов, реализующее способ многопороговой амплитудной дискриминации выходных импульсов детектора, состоит из последовательно соединенных сцинтилляционного детектора, включающего сцинтиллятор в комплекте с фотоэлектронным умножителем, предусилителя, электронного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, амплитудного дискриминатора с регулируемым порогом дискриминации, амплитудного детектора с принудительным обнулением выходного сигнала по команде микроконтроллера и микроконтроллера с программным формированием нескольких измерительных каналов, состоящих из программных счетчиков импульсов с несколькими программно формируемыми дополнительными порогами амплитудной дискриминации импульсов, поступающих на вход микроконтроллера с выхода амплитудного детектора, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом микроконтроллера.

Поставленная задача достигается тем, что порог амплитудной дискриминации амплитудного дискриминатора выбран равным 0,1 от максимальной амплитуды импульсов детектора Um, а микроконтроллер, обеспечивающий программное формирование измерительных каналов, реализует пороги амплитудной дискриминации входных импульсов 0,1 Um, 0,2 Um, 0,3 Um и 0,4 Um.

Поставленная задача достигается тем, что сцинтилляторы покрыты веществами, активно поглощающими нейтроны низких энергий, таких как бор, гадолиний, литий, кадмий.

Предполагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами:

Фиг. 1 - Спектральные характеристики детектора с добавлением бора-10 в сцинтиллятор толщиной 3 мм при порогах амплитудной дискриминации 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4 от максимальной амплитуды импульсов;

Фиг. 2 - Спектральные характеристики детектора с добавлением бора-10;

Фиг. 3 - Структурно-функциональная схема устройства формирования спектральных характеристик измерительных каналов с использованием способа многопороговой амплитудной дискриминации выходных импульсов детектора.

Устройство формирования спектральных характеристик измерительных каналов нейтронных детекторов состоит из последовательно соединенных сцинтилляциоиного детектора 1, включающего сцинтиллятор в комплекте с фотоэлектронным усилителем 2, предусилителя 3, электронного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления, амплитудного дискриминатора 5 с регулируемым порогом дискриминации и микроконтроллера 6, информационный вход которого соединен с выходом амплитудного дискриминатора 5.

Устройство работает следующим образом. При попадании нейтронов в сцинтиллятор 2 детектора 1, в нем возникают световые вспышки (сцинтилляции), которые улавливаются состыкованным с сцинтиллятором ФЭУ и преобразуются в короткие импульсы тока (длительностью порядка 10 не). Эти токовые импульсы предусилителем 3 преобразуются в импульсы напряжения пропорциональной амплитуды. Далее они поступают на вход электронного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления. Его коэффициент усиления устанавливается с помощью высокоскоростного запоминающего осциллографа таким образом, чтобы импульсы максимальной амплитуды Um соответствовали пределу диапазона линейного усиления усилителя (в нашем примере - 5 В). С его выхода импульсы поступают на аппаратно реализуемый амплитудный дискриминатор 5 с регулируемым порогом дискриминации, который устанавливается на уровне 0,1 от максимальной амплитуды импульсов (в нашем примере 0,5 В). Далее импульсы, амплитуда которых превышает этот порог, поступают на информационный вход микроконтроллера 6, в котором программно формируются 4 измерительных канала со счетчиками импульсов, амплитуда которых превышает порог 0,1 Um (0,5 В в нашем примере), 0,2 Um (1,0 В), 0,3 Um (1,5 В) и 0,4 Um (2,0 В). Аппаратная реализация амплитудного дискриминатора с порогом дискриминации 0,5 В необходима для предотвращения информационного входа микроконтроллера 6 от перегрузки шумовыми импульсами.

Спектральные характеристики сформированных таким способом измерительных каналов показаны на фиг. 1. Как следует из этих графиков, спектральные характеристики получаемых измерительных каналов существенно различаются лишь в области энергий быстрых нейтронов. А в области медленных нейтронов их дополнительно можно разнообразить, нанося на сцинтиллятор фильтрующие покрытия из материалов, активно поглощающих нейтроны низких энергий. На фиг. 2 показаны спектральные характеристики того же детектора с уровнем амплитудной дискриминации 0,1 Um (0,5 В) с толщиной фильтрующего покрытия из нитрида бора 1 и 3 мм. Понятно, что фильтрующие покрытия из материалов, поглощающих низкоэнергетические нейтроны, имеет смысл применять лишь для детекторов, чувствительных к медленным нейтронам (в данном случае с добавкой бора-10 в сцинтиллятор), поскольку на область быстрых нейтронов они не влияют

Расчет спектральных характеристик проводился для сцинтилляционных нейтронных детекторов с полистирольными сцинтилляторами с добавлением бора-10 в его состав с помощью библиотеки программ GEANT-4 для случая мононаправленного излучения, перпендикулярного торцевой поверхности детектора (полистирольные сцинтилляторы без добавления бора-10 или лития-6 в его состав практически нечувствительны к нейтронам тепловых и промежуточных энергий, поскольку амплитуда импульсов от низкоэнергетических нейтронов лежит в пределах амплитуд шумовых импульсов ФЭУ). Диаметр сцинтилляторов был выбран равным 25 мм, поскольку предполагается использовать ФЭУ-141 с диаметром фотокатода 25 мм. Весь энергетический диапазон нейтронов от 0,001 эВ до 20 МэВ в расчетном спектре разделялся на 1024 интервала, равномерно распределенных в логарифмической шкале энергий. Для каждого энергетического интервала в моделирующей системе запускалось по 1000 нейтронов. Фиксировалось количество нейтронов, вызвавших сцинтилляции в детекторе и определялось количество фотонов, порождаемых каждым нейтроном, дошедших до фотокатода ФЭУ (для последующего сравнения с задаваемым порогом амплитудной дискриминации выходных импульсов детектора). Поскольку амплитуда сигналов на выходе ФЭУ не превышает единиц милливольт, они поступают на электронный усилитель, коэффициент усиления которого подбирается таким образом, чтобы максимальная амплитуда полезных импульсов на его выходе не превышала 5 В. Хотя при моделировании запускалось более миллиона частиц, тем не менее, из-за стохастического характера взаимодействия нейтронов с активным веществом детектора графики спектральных характеристик получаются заметно изрезанными. Для уменьшения влияния статистического шума проводилось усреднение по 5 соседним каналам методом скользящего среднего, а далее по полученным точкам зависимость аппроксимировалась сплайном Акимы. При таком коэффициенте усиления максимальная амплитуда шумовых импульсов на выходе электронного усилителя (основным их источником является ФЭУ) не превышала 50-60 мВ. Поэтому для надежного устранения шумовых импульсов нижний порог амплитудной дискриминации был выбран равным 0,5 В, что примерно в 100 раз превышает уровень шумов. Помимо канала с порогом амплитудной дискриминации 0,5 В, использовались еще три измерительных канала с порогами амплитудной дискриминации 1,0 В, 1,5 В и 2,0 В. Получаемые при этом спектральные характеристики данных каналов для детектора с толщиной сцинтиллятора 3 мм представлены на фиг. 1.

Дополнительного изменения спектральных характеристик можно достичь путем покрытия сцинтиллятора фильтром, в состав которого входят изотопы, активно поглощающие нейтроны низких энергий: бор - 10, литий - 6, гадолиний, кадмий.

При использовании кадмиевого фильтра из листового кадмия толщиной 1 мм штампуется колпачок, надеваемый на сцинтиллятор (варьирование толщины экрана из кадмия свыше 1 мм не оказывает заметного влияния на форму спектральной характеристики). При использовании фильтра из других перечисленных веществ, его порошок разводится в эпоксидной смоле, наносится на торцевую (наружную) и боковую поверхности сцинтиллятора и после отверждения шлифуется до нужной толщины. В данном примере использовался фильтр из нитрида бора, причем использовался гораздо более доступный и дешевый природный бор, содержащий примерно 20% бора - 10. Поскольку сечение реакции бора - 10 при росте энергии нейтронов линейно падает, то при изменении толщины покрытия соответствующие характеристики (в низкоэнергетической области) смещаются вправо. В высокоэнергетической области фильтрующие покрытия не оказывают влияния на спектральные характеристики, поскольку сечение реакций нейтронов таких энергий с бором-10 уменьшается в тысячи раз.

На фиг. 2 представлены спектральные характеристики измерительных каналов с таким же детектором как на фиг. 1, но с фильтрующим покрытием сцинтиллятора нитридом бора толщиной в 1 и 3 мм при пороге амплитудной дискриминации 0,5 В.

Представленные результаты показывают, что предлагаемый способ формирования спектральных характеристик полистирольных нейтронных детекторов путем многопороговой амплитудной дискриминации выходных импульсов детектора в сочетании со способом фильтрующих покрытий сцинтиллятора позволяет получать спектральные характеристики соответствующих измерительных каналов существенно отличающейся формы.

Литература:

1. Способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов. Патент на изобретение №2390800. Выдан 27.05.2010. Патентообладатели: ФГОУ ВПО Курский государственный технический университет (ныне ФГОУ ВО Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ) и ФГУП Курский завод «Маяк» (ныне Курский завод «Маяк» - филиал АО Нижегородского научно-производственного объединения имени М.В. Фрунзе). Авторы: Дрейзин В.Э., Катыхин А.И., Полищук И.В. (ЮЗГУ), Овсянников Ю.А., Поляков В.Г. (завод «Маяк»).

2. Bramblett R.L., Ewing R.I., Bonner Т. W. A newtype of Neutron spectrometer. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. North_Holland publishing Co. №9, 1960, p. 1-12.

3. Thomas D.J., Alevra A.V. Bonner sphere spectrometers - a critical review. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 476, 2002, p. 12-20.

4. Санников A.B., Пелешко B.H., Савицкая E.H., Купцов С.И., Сухарев М.М. Многошаровый спектрометр нейтронов на основе серийного прибора РСУ-01. АНРИ. 2009, №1. С. 62-69.

5. Радиометр-дозиметр нейтронного излучения МКС-03С. Техническое описание.

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений. Устройство формирования спектральных характеристик измерительных каналов нейтронных детекторов состоит из последовательно соединённых сцинтилляционного детектора, включающего сцинтиллятор в комплекте с фотоэлектронным усилителем, предусилителя, электронного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, амплитудного дискриминатора с регулируемым порогом дискриминации и микроконтроллера, информационный вход которого соединён с выходом амплитудного дискриминатора. Технический результат – обеспечение возможности получения от одного детектора нескольких параллельно работающих измерительных каналов с различными спектральными характеристиками, функционирующих в режиме реального времени. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство формирования спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов, реализующее способ многопороговой амплитудной дискриминации выходных импульсов детектора, отличающееся тем, что оно состоит из последовательно соединённых сцинтилляционного детектора, включающего сцинтиллятор в комплекте с фотоэлектронным умножителем, предусилителя, электронного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, амплитудного дискриминатора с регулируемым порогом дискриминации, амплитудного детектора с принудительным обнулением выходного сигнала по команде микроконтроллера и микроконтроллера с программным формированием нескольких измерительных каналов, состоящих из программных счётчиков импульсов с несколькими программно формируемыми дополнительными порогами амплитудной дискриминации импульсов, поступающих на вход микроконтроллера с выхода амплитудного детектора, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом микроконтроллера.

2. Устройство формирования спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов по п. 1, отличающееся тем, что порог амплитудной дискриминации амплитудного дискриминатора выбран равным 0,1 от максимальной амплитуды импульсов детектора Um, а микроконтроллер, обеспечивающий программное формирование измерительных каналов, реализует пороги амплитудной дискриминации входных импульсов 0,1 Um, 0,2 Um, 0,3 Um и 0,4 Um.

3. Устройство формирования спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов по п. 1, отличающееся тем, что сцинтилляторы покрыты веществами, активно поглощающими нейтроны низких энергий, такими как бор, гадолиний, литий, кадмий.