СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РЕАКТОРНЫХ АНТИНЕЙТРИНО С ПОМОЩЬЮ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ Российский патент 2024 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к детекторам антинейтрино, и может быть использовано для дистанционного контроля работы ядерных реакторов.

Для повышения безопасности атомной энергетики и решения задач нераспространения делящихся материалов необходимо развитие методов дистанционного контроля и диагностики ядерных реакторов.

В процессе работы ядерного реактора при делении изотопов урана и плутония образуются нейтроноизбыточные ядра, которые претерпевают цепочку бета-распадов до образования стабильных ядер-изобар. В каждом акте бета-распада испускается антинейтрино, таким образом, работа ядерного реактора сопровождается испусканием потока антинейтрино, величина которого для реакторов ВВЭР-1000 превышает 10²⁰ антинейтрино в секунду.

Нейтринное излучение, обладая высокой проникающей способностью, свободно проходит сквозь биологическую защиту и конструкционные материалы реактора и может регистрироваться дистанционно на расстоянии в десятки метров от активной зоны. Величина потока антинейтрино определяется текущей тепловой мощностью реактора, а спектральный состав несет информацию о выгорании и текущей композиции ядерного топлива.

На практике наиболее удобной для регистрации реакторных антинейтрино является реакция обратного бета-распада нейтрона:

Данная реакция имеет пороговый характер и возможна для энергий электронных антинейтрино более 1.806 МэВ. Таким образом, регистрация антинейтрино может проводиться водородсодержащим детектором, способным регистрировать родившиеся в реакции позитрон и нейтрон.

В результате ионизационных потерь позитрон за несколько наносекунд теряет свою энергию и аннигилирует в веществе детектора с излучением двух гамма-квантов с общей энергией 1.022 МэВ. Характерная энергия нейтрона, который рождается в результате обратного бета-распада, составляет от 5 до 20 кэВ. В течение ~10 мкс нейтрон замедляется в веществе детектора до тепловых энергий, после чего может быть зарегистрирован.

Для регистрации тепловых нейтронов применяют материалы, содержащие ядра, обладающие высоким сечением захвата тепловых нейтронов, такие как ³Не, ⁶Li, ¹⁰В, ¹¹³Cd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁷Gd, и испускающие после захвата вторичные легкие ядра или гамма-кванты.

Поскольку для термализации и диффузии нейтрона требуется некоторое время, полезным событием в детекторе антинейтрино считается задержанное совпадение сигнала от регистрации позитрона и сигнала от регистрации теплового нейтрона.

Из патента RU 2561665 известна среда, применяемая для регистрации электронных антинейтрино. Сущность изобретения заключается в том, что для регистрации антинейтрино применяют дейтериды бора, например D₁₀B₄. Электронное антинейтрино взаимодействует с протоном в ядре дейтерия, в результате чего образуются два нейтрона, которые могут быть захвачены ядрами ¹⁰В. Данное изобретение обладает рядом недостатков: во-первых, энергетический порог при регистрации антинейтрино ядром дейтерия увеличивается на энергию связи ядра дейтерия; во-вторых, для надежного выделения события из фона необходима регистрация двух нейтронов, что на порядок снижает эффективность; в-третьих, дейтерий-содержащие среды обладают высокой стоимостью из-за сложности выделения дейтерия из естественной смеси водорода.

Из патента RU 2361238 известен способ, применяемый для регистрации антинейтрино от атомных реакторов. Регистрацию проводят с помощью детектора, представляющего собой низкофоновый сферический гамма-спектрометр, заполненный жидким сцинтиллятором. Объем детектора просматривается большим количеством равноудаленных от центра фотоумножителей, для эффективной регистрации нейтронов в сцинтилляторе растворена соль кадмия. Реакторные антинейтрино вступают в реакцию обратного бета-распада, после чего сначала регистрируются гамма-кванты от аннигиляции позитрона, а через 5-20 мкс гамма-кванты от захватившего тепловой нейтрон кадмия. Отклики фотоумножителей позволяют проводить регистрацию антинейтрино с одновременным использованием спектрометрии и томографией пространственных характеристик обратного бета-распада. Недостатком описанного способа является ненадежная идентификация нейтронов по испускаемым кадмием гамма-квантам. В случае, если возбуждение кадмия снимается за счет каскада гамма-квантов, велика вероятность того, что один или несколько гамма-квантов вылетят из детектора без взаимодействия.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, описанный в патенте RU 2724133. Изобретение относится к способам регистрации реакторных антинейтрино сцинтилляционным методом. Регистрацию антинейтрино осуществляют по реакции обратного бета-распада, для этого в слоях сегментированного гадолиний-содержащего неорганического сцинтиллятора, чередующихся со слоями органического сцинтиллятора, регистрируют фотоны сцинтилляций от потерь энергии на ионизацию и аннигиляцию позитрона и вызванных нейтроном гамма-квантов. Гамма-лучевой сцинтиллятор на основе органического материала располагают в непосредственной близости к сцинтиллятору на основе неорганического материала и используют в качестве протонсодержащей мишени, среды для замедления позитронов и нейтронов. Гамма-лучевой сцинтиллятор на основе неорганического сцинтиллятора используют для регистрации аннигиляционных гамма-квантов и гамма-квантов, испускаемых ядрами гадолиния после захвата теплового нейтрона. При этом сначала регистрируют мгновенные совпадения сигналов, вызванных ионизационными потерями позитрона и взаимодействием аннигилляционных гамма-квантов, а затем регистрируют задержанные совпадения от каскада испускаемых гадолинием гамма-квантов, вызванные захватом теплового нейтрона. По местоположению и величине сцинтилляционных вспышек проводят разделение полезных и фоновых событий.

Недостатком описанного способа является использование для регистрации нейтрона реакции с образованием каскада гамма-квантов, которые, вследствие значительного пробега в веществе, могут пройти через сцинтиллятор без взаимодействия или оставить в сцинтилляторе только часть своей энергии, что затрудняет идентификацию теплового нейтрона и, таким образом, приводит к снижению точности и эффективности регистрации пришедшего от реактора электронного антинейтрино и затрудняет спектрометрию нейтрино.

Отличием заявленного способа от известного является использование для регистрации теплового нейтрона неорганического сцинтиллятора, изготовленного на основе сульфида цинка с добавлением ядер, образующих тяжелые заряженные частицы при захвате нейтрона. Кроме того, по сигналам, участвующим в мгновенном совпадении, восстанавливают энергию позитрона, после чего проводят расчет энергии реакторного антинейтрино. Технический результат изобретения заключается в создании способа регистрации реакторных антинейтрино с помощью твердотельных сцинтилляторов, повышении эффективности регистрации электронных антинейтрино и измерения их энергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ регистрации реакторных антинейтрино с помощью твердотельных сцинтилляторов, заключающийся в том, что в массиве измерительных элементов, содержащих органический сцинтиллятор, чередующихся с измерительными элементами, содержащими неорганический сцинтиллятор, регистрируют фотоны сцинтилляции, образующиеся при взаимодействии продуктов реакции электронных антинейтрино с протонами, при этом органический сцинтиллятор используют в качестве протонсодержащей мишени и среды для регистрации образовавшегося позитрона и замедления образовавшегося нейтрона, а неорганический сцинтиллятор, содержащий ядра с высоким сечением захвата нейтронов, используют для регистрации теплового нейтрона, при этом регистрируют сначала мгновенное совпадение сигнала, вызванного ионизационными потерями позитрона в одном из измерительных элементов, содержащих органический сцинтиллятор, с одним или двумя сигналами от взаимодействия аннигиляционных гамма-квантов в других измерительных элементах, а затем регистрируют задержанное совпадение с сигналом от нейтрона в неорганическом сцинтилляторе, после чего сопоставляют взаимное пространственное и временное расположение сработавших измерительных элементов с ожидаемым расположением, рассчитанным по компьютерным моделям, отличается тем, что органический сцинтиллятор и неорганический сцинтиллятор являются твердотельными, неорганический сцинтиллятор изготовлен на основе сульфида цинка с добавлением ядер, образующих тяжелые заряженные частицы при захвате нейтрона, измерительные элементы светоизолированы друг от друга и имеют оптически разделенные системы светосбора, сигнал с неорганического сцинтиллятора дополнительно анализируют по форме импульса для разделения сигнала от нейтрона и сигнала от гамма-кванта, по сигналам, участвующим в мгновенном совпадении, восстанавливают энергию позитрона, после чего проводят расчет энергии реакторного антинейтрино.

В частном случае в качестве вещества с высоким сечением захвата нейтронов в сульфид цинка добавлены химические соединения, содержащие ядра ⁶Li.

В другом частном случае в качестве вещества с высоким сечением захвата нейтронов в сульфид цинка добавлены химические соединения, содержащие ядра ¹⁰В.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показан чертеж комбинированного модуля для регистрации реакторных антинейтрино. На чертеже сверху вниз, слева направо изображены: изометрия комбинированного модуля, увеличенный выносной элемент части модуля с фотоприемниками, вид справа комбинированного модуля без фотоприемников, увеличенный выносной элемент вида справа. Цифрами обозначены:

1 - органический сцинтиллятор;

2 - светособирающий конус;

3 - вакуумный фотоэлектронный умножитель;

4 - воздушная прослойка;

5 - внутреннее светоотражающее покрытие;

6 - светопроводящий слой;

7 - неорганический сцинтиллятор;

8 - переизлучающее оптическое волокно;

9 - кремниевый фотоэлектронный умножитель;

10 - внешнее светоотражающее покрытие.

На Фиг. 2 показан рисунок детектора для регистрации реакторных антинейтрино. Сверху вниз изображены: изометрия детектора, увеличенный выносной элемент части детектора. Цифрами обозначены:

11 - комбинированный модуль для регистрации реакторных антинейтрино;

12 - блок анализа сигналов детектора.

На Фиг. 3 показаны примеры осциллограмм сигналов, наблюдаемых на выходе фотоприемника в неорганическом сцинтилляторе на основе легированного серебром сульфида цинка с добавлением ядер ¹⁰В при регистрации гамма-кванта (слева) и теплового нейтрона (справа).

Реализация предложенного способа может быть достигнута с помощью приведенного на Фиг. 1 комбинированного модуля для регистрации реакторных антинейтрино. Данный модуль объединяет в себе измерительные элементы, содержащие как органический, так и неорганический сцинтилляторы.

В качестве органического сцинтиллятора может быть использован производимый ИФВЭ НИЦ КИ, г. Протвино, пластиковый сцинтиллятор из полистирола с размерами 50×50×700 мм³ со сцинтилляционными добавками (2% РТР и 0.05% РОРОР). Плотность такого сцинтиллятора составляет 1.06 г/см³, что обеспечивает концентрацию ядер водорода 5×10²² см^-3. Коэффициент преломления составляет 1.59, время высвечивания порядка 1.5 нс. Сцинтиллятор имеет повышенную прозрачность, длина ослабления сцинтилляционных вспышек составляет 1.5 м.

Съем светового сигнала проводится с торцов органического сцинтиллятора. Для этого к ним крепятся светособирающие конусы 2, к которым прижимаются фотокатоды вакуумных фотоэлектронных умножителей 3 марки ФЭУ-184 производства ООО «Научно-технический центр «Промышленная электроника», г. Зеленоград. Светособирающие конусы изготовлены из полистирола без сцинтилляционных добавок. Таким образом, фоновые бета-распады в стеклах входных окон фотоумножителей не дают сцинтилляционных вспышек.

Органический сцинтиллятор обернут внутренним светоотражающим покрытием 5 таким образом, что между поверхностью сцинтиллятора и покрытием имеется воздушная прослойка 4. В качестве материала для светоотражающего покрытия используется два слоя гибкого листового волокнистого материала Tyvek, поверхность которого способна отражать свет с коэффициентом диффузного отражения 0.9-0.95. Светоотражающая поверхность первого слоя материала Tyvek обращена внутрь к органическому сцинтиллятору, светоотражающая поверхность второго слоя материала Tyvek обращена наружу.

Наличие воздушной прослойки 4 обеспечивает отражение фотонов сцинтилляционной вспышки назад в органический сцинтиллятор в том случае, если фотоны идут под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения. Если же фотоны выходят из органического сцинтиллятора, то диффузно отражаются от внутреннего светоотражающего покрытия, что повышает вероятность их попадания на фотокатод одного из вакуумных фотоэлектронных умножителей. Также внутреннее светоотражающее покрытие светоизолирует органический сцинтиллятор.

На светоотражающее покрытие 5 нанесен светопроводящий слой 6, изготовленный из двухкомпонентного силиконового компаунда Смартсил СТ-501. В светопроводящий слой 6 добавлен неорганический сцинтиллятор, в качестве которого может быть использован сцинтиллятор марки ВС-704 производства «Saint-Gobain Crystals» или сцинтиллятор марки ЛРБ-2 производства ЗАО «НПФ «Люминофор», Россия г. Ставрополь. Неорганический сцинтиллятор ВС-704 представляет собой гранулы легированного серебром сульфида цинка с добавлением ⁶Li обогащенного до 90%. Сцинтиллятор ЛРБ-2 также изготовлен на основе гранул легированного серебром сульфида цинка с добавлением бора с природным изотопным составом, содержащим 19.8% ¹⁰В.

Также в светопроводящий слой 6 вклеено переизлучающее оптическое волокно 8 диаметром 1 мм фирмы Kuraray. На каждую грань органического сцинтиллятора 1 вклеивается по девять переизлучающих оптических волокон, торцы которых сведены на два кремниевых фотоэлектронных умножителя 9 марки MicroFC-60035-SMT фирмы Sensel. Данные кремниевые фотоэлектронные умножители имеют размер фотокатода 6×6 мм². Всего в комбинированном модуле используются восемь кремниевых фотоэлектронных умножителей. Для светоизоляции комбинированный модуль окружен внешним светоотражающим покрытием 10, которое изготовлено из материала Tyvek.

На основе комбинированных модулей для регистрации реакторных антинейтрино может быть собран детектор для регистрации реакторных антинейтрино, приведенный на Фиг. 2. Детектор для регистрации реакторных антинейтрино представляет собой сборку из 225 комбинированных модулей для регистрации реакторных антинейтрино 11, уложенных в 15 слоях по 15 модулей в каждом слое. Габаритные размеры сборки составляют приблизительно: 1000×1000×1000 мм³. Все сигналы от вакуумных фотоэлектронных умножителей и кремниевых фотоэлектронных умножителей сведены на блок анализа сигналов детектора 12.

Детектор для регистрации реакторных антинейтрино устанавливают в 25-40 метрах от мониторируемого реактора. Поток электронных антинейтрино проходит через детектор, в результате чего некоторые антинейтрино взаимодействуют с протонами органического сцинтиллятора 1. В реакции обратного бета-распада образуются позитрон и нейтрон. В результате ионизационных потерь позитрон останавливается в органическом сцинтилляторе с выделением энергии, равной энергии антинейтрино за вычетом пороговой энергии реакции обратного бета-распада, и аннигилирует с образованием двух гамма-квантов с энергиями 511 кэВ. Гамма-кванты разлетаются в противоположные стороны и могут провзаимодействовать в любом из 225 комбинированных модулей для регистрации реакторных антинейтрино. Характерная длина пробега гамма-квантов в полистироле составляет ~40 см. Сцинтилляционные вспышки, вызванные позитроном и аннигиляционными гамма-квантами, обрабатываются блоком анализа сигналов детектора 12, где формируется логический сигнал мгновенного совпадения.

Образовавшийся в реакции обратного бета-распада нейтрон термализуется при взаимодействии с полистиролом комбинированных модулей для регистрации реакторных антинейтрино, длина термализации составляет около 3.5 см. Проходя через неорганический сцинтиллятор 7, тепловой нейтрон захватывается ядрами ⁶Li или ¹⁰В, при делении которых образуются ядра ³Н, ⁴Не и ⁷Li, вызывающие сцинтилляционную вспышку в сульфиде цинка. Одной из особенностей сульфида цинка является большое время высвечивания ~500 нс при регистрации тяжелых частиц, что приводит к специфической форме сигнала на выходе фотоприемника. Пример осциллограммы сигнала, наблюдаемого в неорганическом сцинтилляторе на основе легированного серебром сульфида цинка с добавлением ядер ^{10 В} при регистрации гамма-кванта показан на Фиг. 3 слева. На Фиг. 3 справа приведен пример осциллограммы сигнала, наблюдаемого в том же сцинтилляторе при регистрации теплового нейтрона.

По форме сигналов, зарегистрированных в неорганическом сцинтилляторе блоком анализа сигналов детектора 12, проводится разделение сигналов от тепловых нейтронов и сигналов от гамма-квантов. В случае регистрации теплового нейтрона, формируется логический сигнал задержанного совпадения, который сопоставляется по времени прихода с логическим сигналом мгновенного совпадения. Двусторонний съем оптического сигнала как с органического сцинтиллятора 1, так и с неорганического сцинтиллятора 7 позволяет по разнице амплитуд сигналов фотоприемников определить приблизительную координату вдоль оси комбинированного модуля для регистрации реакторных антинейтрино 11, в которой был зарегистрирован позитрон, гамма-квант или нейтрон. Если разница по времени между логическим сигналом мгновенного совпадения и логическим сигналом задержанного совпадения, а также пространственная конфигурация срабатывания комбинированных модулей для регистрации реакторных антинейтрино соответствуют ожидаемому расположению, рассчитанному по компьютерным моделям, то такое событие принимается за регистрацию антинейтрино. Выделение пространственной конфигурации регистрации продуктов взаимодействия антинейтрино позволяет улучшить фоновые условия измерений.

По сигналам, участвующим в выработке триггерного сигнала мгновенного совпадения, определяется энергия позитрона, на основе которой рассчитывается энергия зарегистрированного антинейтрино.

Таким образом, предложенный способ регистрации реакторных антинейтрино с помощью твердотельных сцинтилляторов позволяет регистрировать нейтрино с высокой эффективностью и измерять их энергию.

Изобретение относится к области ядерной физики. Способ регистрации реакторных антинейтрино с помощью твердотельных сцинтилляторов заключается в том, что для регистрации тепловых нейтронов используется неорганический сцинтиллятор, изготовленный на основе сульфида цинка с добавлением ядер, образующих тяжелые заряженные частицы при захвате нейтрона. Кроме того, по сигналам, участвующим в мгновенном совпадении, восстанавливают энергию позитрона, после чего проводят расчет энергии реакторного антинейтрино. Технический результат – повышение эффективности регистрации электронных антинейтрино и измерения их энергии. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регистрации реакторных антинейтрино с помощью твердотельных сцинтилляторов, заключающийся в том, что в массиве измерительных элементов, содержащих органический сцинтиллятор, чередующихся с измерительными элементами, содержащими неорганический сцинтиллятор, регистрируют фотоны сцинтилляции, образующиеся при взаимодействии продуктов реакции электронных антинейтрино с протонами, при этом органический сцинтиллятор используют в качестве протонсодержащей мишени и среды для регистрации образовавшегося позитрона и замедления образовавшегося нейтрона, а неорганический сцинтиллятор, содержащий ядра с высоким сечением захвата нейтронов, используют для регистрации теплового нейтрона, при этом регистрируют сначала мгновенное совпадение сигнала, вызванного ионизационными потерями позитрона в одном из измерительных элементов, содержащих органический сцинтиллятор, с одним или двумя сигналами от взаимодействия аннигиляционных гамма-квантов в других измерительных элементах, а затем регистрируют задержанное совпадение с сигналом от нейтрона в неорганическом сцинтилляторе, после чего сопоставляют взаимное пространственное и временное расположение сработавших измерительных элементов с ожидаемым расположением, рассчитанным по компьютерным моделям, отличающийся тем, что органический сцинтиллятор и неорганический сцинтиллятор являются твердотельными, неорганический сцинтиллятор изготовлен на основе сульфида цинка с добавлением ядер, образующих тяжелые заряженные частицы при захвате нейтрона, измерительные элементы светоизолированы друг от друга и имеют оптически разделенные системы светосбора, сигнал с неорганического сцинтиллятора дополнительно анализируют по форме импульса для разделения сигнала от нейтрона и сигнала от гамма-кванта, по сигналам, участвующим в мгновенном совпадении, восстанавливают энергию позитрона, после чего проводят расчет энергии реакторного антинейтрино.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества с высоким сечением захвата нейтронов в сульфид цинка добавлены химические соединения, содержащие ядра ⁶Li.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества с высоким сечением захвата нейтронов в сульфид цинка добавлены химические соединения, содержащие ядра ¹⁰В.