СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ С ОТРАЖАТЕЛЕМ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2025 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к области детектирования тепловых нейтронов с помощью сцинтилляционных детекторов, работающих на основе кремниевых фотоумножителей, и может быть использовано в различных дифракционных установках.

В настоящее время происходит активное развитие детекторов тепловых нейтронов, работающих на основе различных сцинтилляторов и твердотельных фотоумножителей. Принцип работы подобных устройств основан на конверсии нейтронов в заряженные частицы или гамма-излучение специальными добавками в сцинтиллятор, чаще всего содержащими Li или В, и дальнейшей доставке света до ФЭУ или кремниевого фотоумножителя. Как правило, съем фотонов с нейтронного сцинтиллятора обеспечивается различными световодами или спектросмещающими волокнами, так как высокоэффективные сцинтилляторы для регистрации нейтронов в большинстве случаев являются непрозрачными.

Одно из основных применений нейтронных детекторов - это использование их в дифракционных установках. Разрешение дифракционной установки определяется как комплексная величина, состоящая из двух частей - разрешения оптической части и разрешения самого детектора, которое определяется его размерами. В общем случае детекторы для дифракционных экспериментов размещают в горизонтальной плоскости. Для одномерных линейных детекторов нейтронов одним из основных факторов, оказывающих влияние на разрешение, является ширина. Для такого типа детектора минимальная ширина, как правило, ограничена геометрическими размерами детектора. Одним из основных требований к детекторам, используемых для дифракции - их небольшая ширина (5-15 мм). В случае проведения измерений на времяпролетном приборе разрешение также зависит от точности определения времени регистрации нейтрона относительно события генерации нейтронов в источнике.

Из существующего уровня техники известны различные детекторы. Известен нейтронный детектор, состоящий из газоразрядных счетчиков, заполненных гелием-3. Газоразрядные счетчики расположены вокруг цилиндрического замедлителя из водородосодержащего материала и окружены цилиндрическим экраном из намагниченного ферромагнитного сплава (например, Co-Fe), который может отражать тепловые нейтроны [Патент на полезную модель №121377 U1 Российская Федерация, МПК G01T 1/00. детектор нейтронов: №2012119357/28: заявл. 11.05.2012: опубл. 20.10.2012].

Замедлитель разделен надвое вдоль оси, причем между половинами цилиндра находится пластина отражателя - размножителя нейтронов из бериллия, которая отражает тепловые нейтроны за счет когерентного рассеяния и удваивает быстрые нейтроны за счет реакции (n, 2n).

Однако данный детектор не может быть применен в дифрактометре из-за своих больших размеров. Также пластина - размножитель повышает чувствительность детектора к быстрым нейтронам, ухудшая соотношение сигнал-фон. При этом бериллий проигрывает водородосодержащим материалам в сечении рассеяния тепловых нейтронов более чем в 10 раз.

Известен сцинтилляционный нейтронный детектор, предназначенный для использования в составе радиационных мониторов [P. Peerani et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 696 (2012) 110-120. DOI: 10.1016/j.nima.2012.07.025]. Детектор содержит световод в форме прямоугольной призмы из акрила с добавлением спектросмещающих сцинтиллирующих веществ. Одна из боковых граней призмы оптически сочленена с ФЭУ. На противоположных основаниях световода расположены две сцинтилляционные пластины на основе ZnS, активированного Ag, с конвертером тепловых нейтронов. К поверхностям сцинтилляционных пластин прилегают пластины из полиэтилена толщиной 5 см, образуя контейнер. Передняя стенка контейнера выполняет функцию замедлителя, а задняя еще и отражателя нейтронов. Недостатками этой модели является то, что используется спектросмещающий световод, который чувствителен к гамма-излучению, а также использование ФЭУ, который требует высоковольтного напряжения и обладает большим размером и весом по сравнению с кремниевыми фотоэлектронными умножителями. Длина релаксации быстрых нейтронов спектра деления в полиэтилене составляет около 6 см, длина диффузии тепловых нейтронов - около 2,5 см. Это означает, что поток возникающих тепловых нейтронов вначале нарастает, достигает максимума и далее спадает с длиной релаксации быстрых нейтронов. Пластины из полиэтилена (толщиной 5 см каждая) будут вносить существенную погрешность в определение энергии нейтрона при дифракционных измерениях на времяпролетном нейтроном пучке, т.к. время диффузии тепловых нейтронов в полиэтиленовом замедлителе такой же толщины составляет десятки мкс [К. Уиндзор / Рассеяние нейтронов от импульсных источников /пер. Игнатович В.К., ред. Ишмаев С.Н., Юдкевич М.С. / М.: Энергоатомиздат. -1985. - с. 107].

Известен сцинтилляционный нейтронный детектор [Патент на полезную модель №153786 U1 Российская Федерация, МПК G01T 3/06. сцинтилляционный нейтронный детектор: №20141515 92/28: заявл. 19.12.2014: опубл. 27.07.2015], предназначенный для регистрации нейтронов в комбинированных радиационных мониторах ядерных материалов и в физике высоких энергий для режекции электронных и адронных ливней. Детектор, содержит световод в форме прямой призмы, одна из боковых граней которой оптически сочленена с фотоприемником, две сцинтилляционные пластины на основе поликристаллического сцинтиллятора ZnS:Ag с конвертором тепловых нейтронов, которые расположены на ее противоположных основаниях и окружены замедлителем из полиэтилена. Длина и ширина основания световода не меньше пяти длин свободного пробега потока нейтронов с энергией 2 МэВ в замедлителе, а в качестве фотоприемника используют кремниевые фотоэлектронные умножители. Недостатками этой модели является то, что фотоприемники находятся только на одном торце световода, поэтому неизбежны затухания света при увеличении длины детектора. Кроме того, оба выше упоминаемых детектора имеют только один световод, поэтому свет со сцинтилляционных пластин собирается только с одной стороны, что приводит к потере световыхода и эффективности регистрации нейтронов.

В большинстве случаев в известных детекторах для увеличения эффективности регистрации нейтронов используется замедлитель, расположенный непосредственно перед детектором. Использование замедлителя нужно чтобы замедлить быстрые нейтроны до тепловых и увеличить эффективность регистрации, т.к. эффективность регистрации тепловых нейтронов сцинтилляторами намного выше, чем быстрых. Использование замедлителя перед детектором затрудняет определение энергии во времяпролетных экспериментах, а также за счет дополнительного рассеяния уменьшает количество тепловых нейтронов, что в итоге будет приводить к искажению дифрактограмм.

Сущность предложенного изобретения состоит в том, что сцинтилляционный детектор нейтронов состоит из чередующихся слоев нейтрон-чувствительного сцинтиллятора расположенных в объеме органического световода, при этом на обратной, относительно потока падающих нейтронов стороне прибора, установлена пластина-рассеиватель нейтронов из органического материала толщиной не более 10 мм, которая рассеивает нейтроны обратно в сторону нейтрон-чувствительного сцинтиллятора, но при этом за счет малой толщины не вносит погрешности в определение энергии нейтрона.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности регистрации тепловых нейтронов в детекторах, используемых для дифракционных экспериментов.

Технический результат: повышение эффективности регистрации тепловых нейтронов.

Указанный технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе нейтронов используется отражатель нейтронов толщиной не более 10 мм. Новым является то, что за задним световодом размещен отражатель нейтронов из ПММА или материала с высоким сечением изотропного рассеяния нейтрона, который возвращает в детектор часть нейтронов, не захваченных нейтрон-чувствительным сцинтиллятором. При этом за счет размещения отражателя после прохождения нейтронами слоев нейтрон-чувствительного сцинтиллятора и толщины, ограниченной 10 мм, исключается его влияние на энергию нейтронов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематически представлен сцинтилляционный детектор с тремя сцинтилляционными пластинами и тыловой ПММА-пластиной. На фиг. 2 схематически представлен сцинтилляционный детектор с двумя сцинтилляционными пластинами и ПММА-пластиной, включенную в оптическую систему прибора и дополнительно выполняющую роль световода.

1 - нейтрон-чувствительный сцинтиллятор,

2 - световод,

3 - кремниевые фотоумножители,

4 - светоизолирующий материал,

5 - ПММА - пластина.

На фиг 3. представлена зависимость спектральной эффективности поглощения нейтронов в слоях сцинтиллятора.

Устройство работает следующим образом: Нейтроны поглощаются и конвертируются в световое излучение в слоях нейтрон-чувствительного сцинтиллятора (1). Количество слоев нейтрон-чувствительного сцинтиллятора (1) выбирается от 1 до 5, в зависимости от требуемой эффективности регистрации нейтронов. При этом световой импульс поглощения нейтронов имеет, заметно, большую длительность отклика на гамма-излучение, что позволяет легко различать их с помощью дискриминатора. Фотонные импульсы распространяются в световоде (2) и регистрируются кремниевыми фотоумножителями (3), расположенными на его торцах. Нейтрон-чувствительный сцинтиллятор (1) расположен в прорезях световода, выполненного в виде параллелепипеда из органического стекла полиметилметакрилата (ПММА) и покрытый светоизолирующим материалом (4) для защиты от внешнего света. Закрепленная на тыловой стороне счетчика ПММА-пластина (5) рассеивает часть прошедших и не поглощенных в слоях нейтрон-чувствительного сцинтиллятора (1) нейтронов, что дает дополнительную возможность зарегистрировать их в ходе эксперимента. При прохождении объема световода (2) нейтроны рассеиваются атомами водорода, которые составляют 8% от массы ПММА световода. Рассеяние на атомах водорода практически полностью некогерентно и рассеянные нейтроны равновероятно распределены по телесному углу 4 л. Данное явление, с одной стороны, приводит к тому, что нейтроны, направляющиеся в сторону очередного слоя нейтрон-чувствительного сцинтиллятора (1), могут быть преждевременно выведены из объема устройства. Однако это также позволяет использовать ПММА - пластину (5) в качестве отражателей нейтронов.

На этапе проектирования устройства было проведено моделирование методами Монте-Карло трассировки нейтронных траекторий [Willendrup Р.K., Lefmann K. McStas (i): Introduction, use, and basic principles for ray-tracing simulations // Journal of Neutron Research. - 2020. - T. 22. - №1. - C. 1-16]. Целью моделирования являлась оценка вклада ПММА-пластины в эффективность регистрации тепловых нейтронов. Были рассмотрены 2- и 3-слойный варианты конструкции детектора. При этом использовались два варианта ZnS(Ag)/LiF нейтрон-чувствительного сцинтиллятора, различающихся по эффективности поглощения нейтронов, которая составляла 42% и 21% для потока нейтронов, перпендикулярного поверхности нейтрон-чувствительного сцинтиллятора.

Толщина отражающей ПММА - пластины варьировалась от 2 до 6 мм. Как показано на (Фиг. 3) толщина ПММА - пластины более 2 мм не оказывает существенного влияния на эффективность счетчика. Дальнейшее увеличение ПММА-пластины ограничивается тем фактором, что она работает также как замедлитель быстрых нейтронов, что увеличивает чувствительность детектора к быстрым нейтронам. Для каждой отдельной конструкции счетчика добавление ПММА-пластины повышает эффективность на 7-12% относительно изначального значения для длины волны 1А. При этом разность в эффективности убывает с увеличением длины волны регистрируемых нейтронов, что соответствует повышению вероятности их поглощения нейтрон-чувствительным сцинтиллятором и снижению нейтронного потока сквозь счетчик.

Таким образом, ПММА-пластина дает заметный прирост эффективности регистрации тепловых нейтронов, особенно при длине волны менее 1А, без необходимости увеличения количества слоев нейтрон-чувствительного сцинтиллятора.

Изобретение относится к области детектирования тепловых нейтронов с помощью сцинтилляционных детекторов. Сцинтилляционный детектор тепловых нейтронов, имеющий форму параллелепипеда и покрытый светоизолирующим материалом, содержит от 2 до 5 чередующихся пластин нейтрон-чувствительного сцинтиллятора, расположенных в объёме органического световода, выполненного из полиметилметакрилата (ПММА), в торцах которого расположены кремниевые фотоумножители, а также пластину-отражатель нейтронов, при этом пластина-отражатель нейтронов установлена на обратной относительно потока падающих нейтронов стороне сцинтилляционного детектора, при этом пластина-отражатель нейтронов, отражающая нейтроны обратно в сторону нейтрон-чувствительного сцинтиллятора, выполнена из органического материала ПММА толщиной не более 10 мм. Технический результат - повышение эффективности регистрации тепловых нейтронов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сцинтилляционный детектор тепловых нейтронов, имеющий форму параллелепипеда и покрытый светоизолирующим материалом, содержащий от 2 до 5 чередующихся пластин нейтрон-чувствительного сцинтиллятора, расположенных в объёме органического световода, выполненного из полиметилметакрилата (ПММА), в торцах которого расположены кремниевые фотоумножители, а также пластину-отражатель нейтронов, отличающийся тем, что пластина-отражатель нейтронов установлена на обратной относительно потока падающих нейтронов стороне сцинтилляционного детектора, при этом пластина-отражатель нейтронов, отражающая нейтроны обратно в сторону нейтрон-чувствительного сцинтиллятора, выполнена из органического материала ПММА толщиной не более 10 мм.

2. Сцинтилляционный детектор тепловых нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что пластина-отражатель включена в оптическую систему сцинтилляционного детектора и дополнительно выполняет роль световода.