Времяпролетный спектрометр быстрых нейтронов Советский патент 1990 года по МПК G01T3/00 G01T1/36 

1

Изобретение относится к технике диагностики термоядерной плазмы и может быть использовано, например для измерения ионной температуры плазмы

в установках с магнитным удержанием типа ТОКАМАК.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал-пп/м путем

I

уменьшения вклада фоновых событий.

На Чертеже показана схема спектрометра, содержащего коллиматор 1, стартовый детектор 2, включающий в себя ФЭУ 3,.пластины сцинтиллятора 4 и пластины поглотителя 5, столовый детектор 6, состоящий из сцинтиллятора 7 и ФЭУ 3,электронную схему реги- страции 8,в состав которой входят входные пороговые формирователи сигналов 9 и блок измерения 10 временных интервалов.Показано также расстояние 1 .от стартового детектора 2 до стопового детектора 6Т направление полета нейтронов п, рассеянных нейтронов п, протонов р.

Стартовый детектор 2 расположен на оси коллиматора 1, у его выхода, и выполнен в виде набора пластин сцинтиллятора 4, чередующихся с пластинами поглотителя 5, причем плоскости пластин составляют с осью коллиматора 1 угол 90° - df, а толщина каждой пластины сцинтиллятора 4 выбрана из соотношения

h Ар tg(arccos aO ,

где А - пробег протона, рассеянного под углом 90°-оЈв сцинтилля- торе X- Ер/Е.- коэффициент отбора полезных

событий;

Ер - энергия протона отдачи, рассеянного под углом 90° - d, Е - энергия протона отдачи, рассеянного под углом 90 °- -Ut arcs in л).,

Толщина пластин поглотителя 5 d выбрана из условия

, , Pct Zcu,Anor/ En-Ер

d Г - --т™- ---- --ГПОГЛ |ИТЛАСЦ.ь р

где Zf,, зарядовый номер сцинтиллятора

Zn,t,- зарядовый номер поглотителя; ACU|- атомный номер сцинтиллятора , А„,гд- атомный номер поглотителя; УС.Ц плотность сцинтиллятора; iVtriT плотность поглотителя j Е - энергия нейтрона. Спектрометр работает следующим образом.

После прохождения через коллиматор 1 нейтрон п с энергией Е„ попада-

. JQjj 20 25

30

дл

45

;, -

ет под углом 0° в стартовый детектор 2, выполненный из набора пластин сцинтиллятора и поглотителя. Толщина каждой пластины сцинтиллятора 4 выбрана таким образом, что в ней полностью укладывается только пробег протонов р, вылетевших под углами 90е- ( ol i arcsin ae). С вероятностью

1нейтрон упруго рассеивается на ядре водорода, входящего в состав пластины сцинтиллятора 4 толщиной h, и вылетает п1 под углом 3. от 0 до 90°. Под углом (90°-с() вылетает протон отдачи р, энергия которого равна

Е р Ertsin2c/, На выходе стартового детектора 2 возникает импульс, начало которого соответствует моменту регистрации нейтрона h в стартовом детекторе 2, а амплитуда пропорциональна Ер. Фоновые протоны отдачи, ныле- тевшие под углами, большими или меньшими 90 (о(± arcsin x) , попадают в палстину поглотителя 5 толщиной

, , f c.u, ZCn Апогл Е р d . ,

г пагл логлп си, ь р

теряя там часть своей энергии. Толщина d пластины поглотителя 5 выбрана так, что с учетом поглощенной в ней энергии фонового протона отдачи соответствующий электронный сигнал, пропорциональный поглощенной в пластинах сцинтиллятора 4 энергии, оказывается ниже порогового значения. Нейтрон п , рассеянный в направлении стопового детектора 6, пролетает рас- стояние 1 и через время t,,|, iVm n/2E n регистрируется стоповым детектором 6. Здесь ш h - масса нейтрона, Е п - его энергия после рассеяния. Электрические сигналы стартового детектора

2и стопового детектора 6 проходят через пороговые формирователи сигналов 9 в блок измерения 10 временных интервалов, где измеряется задержка между ними. В электронной схеме регистрации 8 происходит накопление информации я ее предварительная обработка перед подачей на ЭВМ. По измеренному t n восстанавливается Е ,, а затем с учетом угла с(- начальная энергия нейтрона по формуле Е „

Eneos2 сА .

Суть предложения заключается в следующем. В стартовом детекторе 2 протоны отдачи р, соответствующие ней

51

тронам п , попавшим в столовый детектор 6, т.е. полезным событиям, рассеиваются под углами 90°-WtarcsinЈ так, что их пробеги полностью укладываются в пластине сцинтиллятора 4 толщиной h, и амплитуда сцинтилляции соответствует полной энергии полезного протона отдачи р. Толщина h пластины сцинтиллятора 4 выбрана из соотношения h -Лрtg(arccosx), устаналивающего зависимость от заданного коэффициента отбора # Е./Е и учитывающего через разброс углов рассеяния нейтронов требуемое энергетичес- кое разрешение спектрометра. Таким образом, полезными являются протоны р, рассеянные под углами 90 - -(Glaresinx),В этом случае,если угол рассеяния протона отдачи не попадает в указанный интервал углов, рассеянный нетройн не попадает в сто повый детектор 6, т.е. является фоновым. Пробег фонового протона отдачи не укладывается полностью в пластине сцинтиллятора 4 толщиной Ь. Фоновый протон отдачи попадает в пластину поглотителя 6, теряя там часть своей энергии, затем попадает и пластину сцинтиллятора А, теряя п кой часть энергии, и т.д. п зависимости от его угла рассеяния и энергии. Толщина d пластины поглотителя 6 выбрана так, что энергия, остапляемая фоновым протоном отдачи п пластине сцинтиллятора 4, не превыпает энергию полезного протона отдачи р. В результате амплитуда сцинти,.гляционного сигнала от любого фонового протона отдачи всегда меньше амплитуды сигнала от полезного протона отдачи р. При установлении порога входного порогового формирователя сигналов 9, соответствующего Е р , все фоновые сигналы оказываются ниже порога и не вызывают срабатываний стартового канала, В результате отношение сигнал/ фон существенно возрастает.

Изобретение реализовано с использованием коллиматора из борированного полиэтилена длиной 1 м с диаметром щели 30 мм. Стартовый детектор состоял из фотоумножителя ОДУ типа ФЭУ-30 с диаметром фотокатода 50 мм и набора равных по толщине 100 мкм пластин сцинтиллятора из полистирола и пластин поглотителя из меди. Высота пластин равнялась 30 мм, ширина пластин 30 мм. Общее число пластин сцинтил

20

25

77

, 45

30

0

5

0

5

108 - 6

лятора 4, равное числу пластин поглотителя -6, равнялось 150, Стоповый детектор состоял из ФЭУ типа ФЭУ-30 н сцинтиллятора 7 из полистирола диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Стоповый детектор 6 был расположен под углом J 45° к оси коллиматора 1 (с вершиной угла в стартовом детекторе 2) и на расстоянии 5 м от стартового детектора 2. Привязка по фронту токового импульса ФЭУ 3 осуществлялась с точностью около не. Калибровка и испытание спектрометра осуществлялась на лазерном генераторе нейтронов с энергией 14 МэВ. Выбранный угол ориентации плоскости пластин сцинтиллятора 4 и пластин поглотителя 6 (90°-45° 45°) соответствовал тому, что в данном случае под углом 45е относительно оси коллиматора 1 рассеивался протон р с энергией 7 МэВ, который регистриро- вался как полезное событие. Проведенные измерения показали, что в наихудшем случае фоновый протон с энергией 14 МэВ(т.е. рассеянный под углом 0 °) оставляет в пластинах поглотителя 6 энергию около 10 мэВ, а в пластинах сцинтиллятора 4 энергию около 4 МэВ. При выбранном пороговом интервале энергий регистрации полезных событий (6,5-7,5 МэВ) отношение сигнал-шум в стартовом детекторе 2 составило 1.,В известных спектрометрах при такой же геометрии измерений отношение сигнал-шум составляет величину .

Реализация изобретения позволяет, по крайней мере, на три порядка повысить отношение сигнал-фон времяпро- летных спектрометров быстрых нейтронов .

Формула изобретения

Времяпролетный спектрометр быстрых нейтронов, содержащий коллиматор, стартовый и стопопый сшштилляцион- ные детекторы и электронную схему регистрации, включайщую входной пороговый формирователь сигналов и блок измерения временных интервалов, причем стартовый детектор расположен за коллиматором на его оси, а столовый детектор расположен на расстоянии 1 от стартового детектора под углом d к оси коллиматора, отличающийся тем, что. с целью увели 1477108

чения отношения сигнал/шум путем уменьшения вкладе фоновых событий, стартовый детектор выполнен в виде

8

Е р - энергия протона отдачи,

рассеянного под углом 90°- -(d tares in) ,

Изобретение относится к технике диагностики термоядерной плазмы и может быть использовано, например, для измерения ионной температуры плазмы. Цель изобретения - увеличение отношения сигнал-шум - достигается уменьшением вклада фоновых событий, Времяпролетный спектрометр содержит коллиматор и два сцинтилляционных детектора - стартовый и столовый, а также электронную схему регистрации. Электронная схема регистрации включает входной пороговый формирователь сигналов и блок измерения временных интервалов. Стартовый детектор расположен за коллиматором на его оси Столовый детектор расположен под углом / к оси коллиматора на расстоянии 1 от стартового детектора. Увеличение отношения сигнал-шум достигается выполнением стартового детектора в пиде набора чередующихся пластин сцинтнллятора и поглотителя. Плоскости пластин расположены под углом 90° - I/ к оси коллиматора. Толщина каждой пластины сцинтиллятора равна h Aptg(arccos x), где Яр- пробег протона отдачи, который рассеивается под углом (90° - с/) в сцинтиллято- ре, х Ер/Е р- коэффициент отбора полезных событий, где Ер- энергия протона отдачи, который рассеивается под углом (90 ° - оО , Е р - энергия протона отдачи, который рассеивается под углом 90°- ( t aresinx) . Толщина же пластины поглотителя равняется d }1Рсч2счАпо,л()„„/сч р плотность сцинтиллятора, ZCu зарядовый номер сцинтиллятора, Асц- атомный номер сцннтиллятора, Рпбгл плотность поглотителя, Z ПОГА- зарядовый номер поглотителя, А атомный номе оглотителл, Е h- энергия нейтрона. Реализация изобретения позволяет примерно на три порядка повы- Јить отношение гигнал-шум времяпро- летных спектрометров быстрых нейтронов. 1 ил. (Л & оо

набора пластин сцинтиллятора и погло- а толщина пластины поглотителя d выб- тнтеля, чередующихся между собой, рана из условия плоскости пластин составляют с осью коллиматора угол 90° - d, причем толщина каждой сцинтилляцирнной пластины выбрана из соотношения JQ

, uPtu- ZcuAnern En-Ер

d .

П«г/(

гпогл ner/t сц

h «Ap-tg (arccosat),

где Ар - пробег протона отдачи, рассеянного под углом d в сцинтилляторе; p/E I - коэффициент отбора полезных

событий j Ер - энергия протона отдачи,

рассеянного под углом 90°-

-of,

олщина пластины поглотител а из условия

, uPtu- ZcuAnern En-Ер

d .

П«г/(

гпогл ner/t сц

де - плотность сцинтиллятора, Zc - зарядовый номер сцинтиллятора,

АСц - атомный номер сцинтиллятора,

Pnom 1ШОТНОСТЬ поглотителя, Zn6f.A- зарядовый номер поглотителя,

АПОГД- атомный номер поглотителя, Е „ - энергия нейтрона.

Sff-cL

6