Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения, не чувствительный к сопутствующему гамма-излучению Российский патент 2024 года по МПК G01T3/02 

Изобретение относится к области радиационных исследований и может быть использовано при проведении экспериментов на ядерно-физических установках различного типа и назначения для измерения спектрального распределения высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения в смешанных полях гамма-нейтронного излучения.

Известны устройства для регистрации нейтронного излучения, основанные на эффекте переноса заряда, которые именуются как «зарядовые детекторы» нейтронов (З.А. Альбиков, А.М. Веретенников, А.В. Козлов. Детекторы импульсного ионизирующего излучения, Москва, Атомиздат, 1978 г.). Различают два типа зарядовых детекторов. К первому типу относятся детекторы прямой зарядки, выполненные в виде эмиттера и коллектора, разделенных тонким диэлектрическим слоем. Эмиттер изготавливается из материала, в котором при облучении нейтронами образуются радиоактивные изотопы, распадающиеся с выходом заряженных частиц. Заряженные частицы (продукты распада) проходят через диэлектрический слой и собираются коллектором. В электрической цепи протекает ток, который характеризует плотность потока первичного нейтронного излучения. Если период полураспада радиоактивного изотопа много меньше длительности импульса нейтронного излучения, то амплитуда тока коллектора пропорциональна плотности потока нейтронов. Указанная функциональная зависимость используется для определения формы импульса воздействующего нейтронного излучения. Недостатком данного типа детекторов является сравнительно низкое временное разрешение (более сотых долей секунды), что обусловлено периодом полураспада образующихся в эмиттере радиоактивных изотопов. Поэтому на многих ядерно-энергетических установках при длительностях импульса нейтронного излучения менее миллисекунды (например, импульсные установки термоядерного синтеза, импульсные ядерные реакторы и др.) детекторы этого типа используются, в основном, для измерения флюенса нейтронов.

Известен детектор радиоактивных излучений, который основан на переносе заряда вторичных высокоэнергетических электронов (Г.Ф. Иоилев, В.А. Сафонов. Детекторы с диэлектрическим рассеивателем. Приборы и техника эксперимента, т. 14, вып. 5, с. 210, 1969). Детектор состоит из корпуса и сигнального электрода, которые разделены двумя одинаковыми диэлектрическими слоями. Перенос заряда в детекторе осуществляется вторичными высокоэнергетическими электронами, которые образуются за счет комптоновского и фотоэффектов при взаимодействии гамма-излучения с материалами конструкции детектора. Детектор обладает высоким временным разрешением, которое определяется электрической схемой подключения детектора к электроизмерительному прибору.

Известно защищенное авторским свидетельством изобретение - аналог - авторское свидетельство №713293 G01T 3/00, 1978 год «Детектор мононаправленного нейтронного излучения» (М.В. Яковлев, И.С. Терешкин, Г.В. Кулаков, Н.А. Комаров), который основан на измерении тока протонов отдачи, образующихся в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов водорода в облучаемом материале-рассеивателе. Детектор содержит металлический корпус, внутри которого расположена пластина-рассеиватель из водородосодержащего материала, например полиэтилена. За рассеивателем расположены металлическая пластина-коллектор и электроизолирующая пластина из материала, не содержащего водород. Коллектор подключен к электроизмерительному прибору. Толщина полиэтиленовой пластины-рассеивателя выбирается много меньше свободного пробега первичных нейтронов, но значительно больше пробега вторичных протонов отдачи в данном материале. Корпус и коллектор выполнены из низкоатомного металла алюминия, чтобы в смешанных полях гамма-нейтронного излучения внутри детектора не нарушались условия гамма-электронного равновесия. Коллектор имеет толщину, достаточную для поглощения протонов отдачи, движущихся со стороны пластины-рассеивателя.

При облучении детектора нейтронами со стороны пластины-рассеивателя сигнал коллектора обусловлен сбором заряда протонов отдачи q₁, а также токами смещения от объемных зарядов q₂, q₃, которые образуются в объеме рассеивателя. Вблизи границы раздела с металлическим корпусом образуется область отрицательного объемного заряда q₂ за счет оттока из этой области протонов отдачи. Положительный объемный заряд q₃ образуется в пластине-рассеивателе за счет ослабления потока нейтронов. Заряд q₃ имеет сравнительно малую величину, поэтому отрицательный объемный заряд приблизительно равен заряду протонов отдачи, инжектируемых в коллектор. Однако в силу выбранной геометрии детектора емкостная связь отрицательного заряда с коллектором значительно меньше, чем с корпусом, поэтому вклад отрицательного заряда в результирующий положительный сигнал детектора оказывается незначительным.

При облучении нейтронами с противоположной стороны сигнал детектора определяется отрицательным объемным зарядом, который находится вблизи коллектора в приграничной области пластины-рассеивателя. Временное разрешение детектора определяется его собственной емкостью и параметрами регистрирующего тракта и может быть доведено до единиц наносекунд. При энергии гамма-квантов ~1,25 МэВ чувствительность детектора-прототипа к действию гамма-излучения составляет ~5%. (И.С. Терешкин, М.В. Яковлев. Детектор высокоинтенсивного нейтронного излучения. Сборник научных трудов ФГУП ЦНИИмаш «Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики» под редакцией академика РАН Н.А. Анфимова, ФГУП ЦНИИмаш, с. 122, 2003 г. Недостатком изобретения является невозможность его использования для определения энергии воздействующих нейтронов.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2445649, заявка 2010135091/28 МПК G01J 3/00, 2010 год «Нейтронный спектрометр на базе протонного телескопа» (Богдзель А.А., Пантелеев Ц.Ц., Милков В.М.). Сущность изобретения заключается в том, что измерения энергетических распределений потоков нейтронов осуществляются путем измерений кинетической энергии упруго рассеянных на малые углы протонов отдачи в результате (n, p) взаимодействия в газовой водородосодержащей среде. Для достижения необходимой коллимации используется принцип снятия сигналов с анодной нити и с двух дополнительных электродов (трубок) с последующей записью многомерного амплитудного спектра в компьютере. Энергия нейтронов определяется после сортировки многомерной информации. В качестве протонной мишени используется слой газа в первой трубке, толщина и положение которого произвольно выбирается программой обработки; вторая трубка служит в качестве коллиматора протонов отдачи, а выбор минимального угла коллиматора осуществляется во время обработки информации в компьютере. Изобретение относится к области регистрации и спектрометрии быстрых нейтронов и может быть использовано в области физики реакторов и экспериментальной нейтронной физике. Технический результат - повышение точности определения распределения по энергии быстрых нейтронов. Недостатком изобретения является невозможность его использования для определения спектрального распределения нейтронов в полях высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2658097, МПК G01T 3/06, 2019 год «Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения» (Яковлев М.В.). Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр содержит металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, и металлические коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов. Коллекторы подключены к электроизмерительным приборам. Все элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером. Толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе анализируемого спектра. Коллиматор имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее продольного размера, а соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения распределения нейтронов по энергии и чувствительности измерительных трактов. Изобретение может быть эффективно использовано только на больших расстояниях от источника излучения, когда применяется времяпролетная методика раздельной регистрации импульсов нейтронного и гамма-излучения. Недостатком изобретения является увеличение погрешности измерений нейтронного излучения в смешанных полях гамма-нейтронного излучения из-за вклада гамма-квантов в формирование регистрируемого сигнала.

Целью предлагаемого изобретения является снижение чувствительности спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения к сопутствующему гамма-излучению в полях смешанного гамма-нейтронного излучения.

Указанная цель достигается в заявляемом спектрометре высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения, не чувствительном к сопутствующему гамма-излучению. Спектрометр содержит металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, металлический коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов. Толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе измеряемого спектра нейтронов. Коллиматор имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее продольного размера. Соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения спектра нейтронов и чувствительности измерительных трактов. Все конструкционные элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером. Коллекторы состоят из двух расположенных последовательно равных по толщине проводящих пластин. Толщина пластин превышает пробег протонов отдачи с энергией, равной максимальной энергии нейтронов в регистрируемом спектре. Пластины электрически изолированы и подключены через схему вычитания к электроизмерительным приборам.

Реализуемость заявляемого спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения, не чувствительного к сопутствующему гамма-излучению, подтверждается следующим образом. Сопутствующее гамма-излучение присутствует в полях смешанного гамма-нейтронного излучения ядерно-энергетических установок, для которых максимальная энергия излучаемых нейтронов ограничена диапазоном ~14-16 МэВ. При взаимодействии нейтронов с атомами водорода максимальная энергия протонов отдачи соответствует указанному диапазону энергий. Пробег протонов отдачи с энергией ~14-16 МэВ в алюминии составляет ~0,1 см, что намного меньше длины пробега в алюминии квантов сопутствующего гамма-излучения со средней энергией ~1-2 МэВ, характерной для ядерно-энергетических установок. Значение длины пробега указанных квантов составляет ~6-9 см, что более, чем в 100 раз, превышает пробег протонов отдачи с максимальной энергией. Поэтому при последовательном прохождении квантами первой и второй пластин коллектора ослаблением потока квантов в первой пластине по направлению движения можно пренебречь. Следовательно, объемный заряд вторичных высокоэнергетических электронов, образующихся за счет взаимодействия квантов с атомами алюминия и остановившихся в первой и второй пластинах, является практически одинаковым.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в первой пластине накапливаются положительный заряд протонов отдачи, прошедших через сотовый коллиматор, и отрицательный заряд остановившихся вторичных высокоэнергетических электронов. Толщина первой пластины коллектора превышает пробег протонов отдачи с максимальной энергией, поэтому во второй пластине накапливается только отрицательный заряд остановившихся вторичных высокоэнергетических электронов. Пластины электрически изолированы и подключены через схему вычитания к электроизмерительным приборам. Отрицательные заряды остановившихся вторичных высокоэнергетических электронов в первой и второй пластинах взаимно компенсируются, и результирующий сигнале сигнал обусловлен только действием протонов, которые содержат информацию о спектре первичных нейтронов.

В описании к патенту №2658097 была отмечена возможная методика применения предложенного спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения в полях смешанного гамма-нейтронного излучения. Для исключения сигналов, обусловленных действием гамма-излучения, в непосредственной близости от спектрометра располагают аналогичный ему прибор, в котором отсутствует мишень из материала, содержащего водород. Сигналы приборов подключают через схему вычитания к электроизмерительным приборам. При этом вклад в регистрируемые сигналы от гамма-излучением взаимно компенсируется.

Изложенная методика имеет ряд недостатков. Во-первых, конструкция спектрометров и их пространственное положение относительно источника излучения могут заметно различаться, что увеличивает погрешность измерений. Во-вторых, при постановке экспериментов по методике, отмеченной в описании патента №2658097, количество сигнальных линий от коллекторных пластин к электроизмерительным приборам, превышает количество сигнальных, требуемых для работы заявляемого спектрометра. Указанное обстоятельство снижает влияние помеховых радиационно-наведенных токов и потенциалов в сигнальных линиях, что повышает точность измерения энергетического спектра нейтронов. По указанным причинам заявляемый спектрометр имеет несомненные преимущества.

Таким образом, техническая возможность реализации заявляемого спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения, не чувствительного к сопутствующему гамма-излучению, и его преимущества по сравнению с другими возможными методами измерений не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области измерения спектрального распределения высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения в смешанных полях гамма-нейтронного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что в первой пластине спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения накапливаются положительный заряд протонов отдачи, прошедших через сотовый коллиматор, и отрицательный заряд остановившихся вторичных высокоэнергетических электронов. Толщина первой пластины коллектора превышает пробег протонов отдачи с максимальной энергией, поэтому во второй пластине накапливается только отрицательный заряд остановившихся вторичных высокоэнергетических электронов. Пластины электрически изолированы и подключены через схему вычитания к электроизмерительным приборам. Отрицательные заряды остановившихся вторичных высокоэнергетических электронов в первой и второй пластинах взаимно компенсируются, и результирующий сигнал обусловлен только действием протонов, которые содержат информацию о спектре первичных нейтронов. Технический результат – снижение чувствительности спектрометра к сопутствующему гамма-излучению в полях смешанного гамма-нейтронного излучения.

Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения, не чувствительный к сопутствующему гамма-излучению, содержащий металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, металлический коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов, толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе измеряемого спектра нейтронов, коллиматор имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее продольного размера, соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения спектра нейтронов и чувствительности измерительных трактов, все конструкционные элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером, коллекторы подключены к электроизмерительным приборам, причем коллекторы состоят из двух расположенных последовательно равных по толщине проводящих пластин, толщина пластин превышает пробег протонов отдачи с энергией, равной максимальной энергии регистрируемых нейтронов, пластины электрически изолированы и подключены через схему вычитания к электроизмерительным приборам.