Способ регулирования чувствительности устройства для регистрации быстрых нейтронов Советский патент 1988 года по МПК G01T1/24 G01T3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а конкретно к измерению полей быстрых нейтронов,

Существуют способы регулирования чувствительности датчиков быстрых нейтронов с целью получения требуемой по условиям и задачам эксперимента зависимости чувствительности от энергии нейтронов. Например при изготовлении дозиметров нейтронов для получения кривой чувствительности,близкой к дозовойуприменяют способ, заключающийся в том, что датчик дозиметра выполняют из двух различных делящихся веществ, смешанных в определенном отнощении. Однако, возможности этого способа ограничены, поскольку трудно подобрать делящиеся вещества, позволяющие получить нужную характеристику в широком диапазоне энергий нейтронов

Известен способ, заключающийся в том, что пропорвдональный счетчик наполняют водородсодержащим газом, стенки счетчика вьшолняют из водородсодержащего материала. Меняя давление газа итолщину стенок, получают требуемую энергетическую зависимость чувствительности датчика. Недостаток этого способа состоит в том, что применение его ограничено областью дозиметрии быстрых нейтронов с энергией ниже 1 5 МэВ.

Наиболее близким решением к заявляемому является способ регулирования чувствительностиустройства с плоским полупроводниковым детектором с интегральным дискриминатором для регистрации быстрых нейтронов с помощью водородсодержащего радиатора протонов отдачи, помещенного перед чувствительной областью пблупроводникового детектора..

Выход детектора соединяют со входом интегрального дискриминатора импульсов. Требуемую характеристику устройства (в данном случае это - зависимость от энергии нейтронов отношения числа импульсов на выходе дискриминатора к потоку нейтронов) получают подбором соответствующего профиля радиатора. При этом характеристика устройства может быть рассчитана.

Однако, у этого способа имеются существенные недостатки, которые

не позволили найти ему широкого практического применения.

1.В общем случае для получения требуемой характеристики необходимо задавать сложный профиль радиатора (толщина радиатора перед детектором должна меняться от долей миллиметра до 1-2 см). При этом рассчитать характеристику можно лишь при вьтолнении двух условий: при мононаправленном поле нейтронов, когда направление полета нейтронов совпадает с нормалью к поверхности детектора, и при достаточно большой толщине чувствитель.ной области детектора, такой, что высокоэнергетичные протоны отдачи

теряютв чувствительной области энергию, превьш ающую порог дискриминатора. В связи с этим практическое использование способа при регистрации нейтронов с энергией зьте 20 МэВ затруднено.

2.Использование детекторов с большой толщиной чувствительной области приводит к увеличению фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора.

3.При регулировании чувствительности в процессе регистрации нейтронов необходимо прерывать измерения и производить замену радиатора, что приводит к увеличению затрат времени и к уменьшению точности получаемых результатов.

Целью предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно, создание устройства с регулируемой чувствительностью в об.ласти энергий нейтронов Е в мононаправленном и изотропном полях нейтронов,- при этом 0,5 МэВ Е, 100 МэВ уменьшение фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора, упрощение процесса регулирования чувствительности.

Для достижения поставленной цели в известном способе регулирования чувствительности с плоским полупроводниковым детектором с интегральным дискриминатором для регистрации быстрых нейтронов с помощью водородсодержащего радиатора протонов .отдачи, помещенного перед чувствительной областью полупроводникового детектора, порог дискриминатора В и толщину чувствительной области W полупроводникового (предпочтительно кремниевого) детектора задают такими, чтобы выполнялись 5Г. соотношения Е F dE 7 R(B), 5(E ,) Средняя на пути равном W, удельная потеря энергии в веществе детектора протона с начальной энергией, равной Е,, R(B) - пробег в детекторе протона с начальной энергией, равной В; толщину водородсодержащего (предпочтительно полиэтиленового) радиатора задают постоянной для каждого устройства в пределах 150 мм. Например в устройстве, содержащем полупроводниковый детектор, перед чувствительной областью которого помещают радиатор толщиной 20 мм, задают толщину чувствительной области W - 300 мкм и пороги дискриминатора лоследовательно равными 1, 1,5, 2 МэВ Указанные значения удовлетворяют приведенным вьппе соотношениям в области высоких энергией нейтронов (например 30 МэВ), что позволяет при Е. получить набор различных зависимостей чувствительности от энергии нейт ронов в мононаправленном поле излуче ния (фиг. 1-, 1 - при пороге В -1 МэВ 2-1,5 МэВ, 3-2 МэВ). Это указывает на возможность регулирования (чувствительности устройства. Аналогичные зависимости для изотропного поля нейтронов приведены на фиг. 2 при W 500 мкм (4 - МэВ, 5-2 МэВ, 6-3 МэВ). Физической основой предлагаемого способа является то, что при выполнении соотношения В/(-т-(Е)) 7 W UA пробеги протонов с энергией от Е, энергией от Е, до 100 МэВ, образующихся при регистрации нейтронов, будут меньше толщины чувствительной области детектора W, Более того, вследствие мальк величин ).dE удельных потерь энергии -- высокоэнергетичных протонов часть протонов попадающих в детектор с энергией Е, 100 мЭв, оставит в чувствительной об ласти энергию меньше пороговой В и не будет зарегистрирована, что повлияет на чувствительность устройства к нейтронам. Долянезарегистрированных протонов будет зависеть от величин В и W, вследствие чегА можно менять чувствительность устройства в пироком диапазоне энергий нейтронов, изменяя величины В и W. Выполнение /« R(B)V- условий Е, В и W печивает отличие от О чувствительности во всей области энергий нейтронов Е, - 100 МэВ. Фон от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора сводится к минимуму, поскольку способ реализуется при достаточно малых толщинах чувствительной области,а при этом,вопервых мала вероятность взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с веществом детектора и, во-вторых, фоновые импульсы имеют небольшую величийУ и легко дискриминируются. Толщина радиатора задается постоянной для каждого устройства, что позволяет провести расчет чувствительности как для мононаправленного, так и для изотропного полей нейтронов. Расчет чувствительности для мононаправленного поля нейтронов проводится по формуле J (Ep,E,,B,W,/). Л) В dEp, чувствительность устройства; энергия нейтронов) порог дискриминатора; толщина чувствительной области детектораi толшина радиатора; число атомов водорода в 1 см радиатора; сечение взаимодействия нейтрона с протоном; площадь детектора , энергия протонов отдачи; толщина некоей эффективной области радиатора; все протоны, образующиеся в пределах этой области с энергией Ер в результате взаимодействия нейтрона энергии Е,,, достигнут детектора и будут, зарегистрированы, и ни один протон с энергией Ер, образующийся в радиаторе вне пределов этой области, не будет зарегистрирован уст- . , ройством,коэффициент, учитывающий анизотропию рассеяния нейтрона на протоне в системе центра масс.

Для изотропного ПОЛЯ нейтронов чувствительность рассчитывается по формуле

n.(E.B,W,4) Sti|- 2 f В(Ер,Е, о о Epi

«sino(clEp, do(dX

где of, --yron между нормалью к поверхности детектора и направлением вьшета протона отдачиj X - переменная интегрирования по г толщине радиатора; Е, И

Kpj - нижиияя и верхняя границы

энергий протонов отдачи, образуйщихся в радиаторе на расстоянии X от детектора, вьлетающих под углом «/ и остав-. ЛЯЮ1ЦИХ в чувствительной области детектора энергию больше ; порога дискриминатора. Результаты расчета, представленные на фиг. 1, 2,получены для случая, когда в качестве материала радиатора взят полиэтилен, детектора - кремний. Изменение чувствительности с помощью napaMeijpoB устройства - порога дискриминатора и толщины чувствительной области детектора - в сочетании с контррлем вида характеристики,осуществлйемьтм ра&четным путем, позволяет регулировать чувствительность в области энергий нейтронов 0,5-100 МэВ..

Устройства, в которых реализуется данный способ, могут оказаться незаменимыми при регистрации быстрых нейтронов, образующихся при работе ускорителей заряженных частиц, а также в верхних слоях атмосферы, там, где основной вклад в дозу дают нейтроны с энергией выше 10 МэВ. Возможность плавного изменения чувствительности устройства позволяет подбирать оптимальную характеристику, исходя из условий измерения нейтронных полей. Существенно упрощается пс сравнению с прототипом регулровка чувствительности устройства, для чего достаточно изменить порог дискриминатора. Пренебрежимо малая чувствительность к гамма-излучению позво|ляет использовать подобные устройства в смешанных полях излучений при высоких отношениях потоков гамма-лучей и нейтронов. Например при толщине чувствительной области кремниевого детектора 500 мкм и пороге дискриминатора 2,5 МэВ, вклад в показания устройства от гамма-излучения не превышает %. при работе в полях с отношением гамма-лучей к нейтронам 1000/ 1. Предлагаемый способ открьшает воможносТь применения для регистрации нейтронов полупроводниковых детекторов с малой толщиной чувствительной области. Такие детекторы существенно |Проще в изготовлении и дешевле.

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ с плоским полупроводниковым детектором,с интегральным дискриминатором, с помощью водородсодержащёго радиатора протонов отдачи, помещенного перед чувствительной областью полупроводникового детектора, отличающийся тем, что, с целью обеспечения регулируемой чувствительности в области 1энергии нейтронов ,5- 100 МэВ в мононаправленном и изотропном полях нейтронов, уменьшения фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора, упрощения процесса регулирования, толщину чувствительной области W полупроводникового Детектора задают такой, чтобы выполнялись соотношения В.В/ §-(Е,) Е, где В - порог дискриминатора; средняя на пути, равном W, удельная потеря энергии в веществе детектора протона с начальной энергией, равной Е, R(B) - пробег в детекторе прото(Л на с начальной энергией, равной В, а t тт толщину водородсодержащего радиатора задают постоянной для каждого устройства в пределах 1-50 мм. 00 Од СП сл