Устройство для исследования потоков нейтронов Советский патент 1983 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к области технической физики и мржет быть использовано для регистрации нейтронов в смешанных полях нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов.

Для регистрации нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до нескольких МэВ известны устройства, в которых детектор тепловых и медленых нейтронов окружен слоем замедлителя. Для защиты от регистрации заряженных частиц используется i фосфич-зффект, а гамма-фон отделяется по амплитудам импульсов i

Такие устройства не обладают направленной чувствит;ельностью регистрации нейтронных потоков и, кроме того, чувствительность таких устройств к нейтронам различных.энегий зависит от размеров замедлителей. .

Известны также сцинтилляционные детекторы быстрых нейтронов, обладащие направленной чувствительностью к нейтронным потокам вдоль заданного направления, например вдоль своей оси, и выполненные в виде чередущихся слоев или нитей из сцинтиллирующей и несцинтиллирующей пластмасс 2 . .

Эти детекторы обладают пониженно чувствительностью к гамма-фону, они предназначены только для .регистрации быстрых нейтронов.

Ближайшим к заявленному является устройство для исследования потока нейтронов, содержащее сцинтилляционный датчик, включающий комбини-: рованный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детектором тепловы и медленных нейтронов и окружающим его прозрачным пластическим сцинтиллятором, фотоумножитель и подключенный к датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженныхчастиц и гамма-квантов з .

В сЪстав датчика входят фотоумно житель и комбинированный сцинтиллятор типа- фосфич, содержащий детектор тепловых и медленных не йтронов (кристалл Li3(fu)), размерами 30114 мм, окруженный пластическим сцинтиллятором в форме цилиндра. Последний предназначен для защиты антисовпадениями при регистрации заряженных частиц. Замедлитель из полиэтилену, окружающий датчик одинаковым со всех сторон слоем, равным 7 см, необходим для увеличения эффективности )егистрации быстрых нейтронов, так как L,i3(u) наиболее эффективно регистрирует тепловые и мед7 енные нейтроны.

Устройство предназначено для регистрации нейтронов в диапазоне энергий от 0,1 до 10 МэВ. Тепловые и медленные нейтроны регистрируются

менее эффективно, чем промежуточные и быстрые. Это связано с тем, что вероятность прохождения через замедлитель из Полиэтилена данной толщины длянейтронов с энергией меньше 100 кэВ мала (.Цлина замедления для нейтронов с энергией 100 кэВ равна 3,5 см, а длина диффузии в полиэтилене - 2,5 см).

Кроме того, указанное устройство не позволяет определять направление нейтронного потока, так как в нём отсутствуют коллиматоры, а кристалл L i Э (fu ) обладает изотропной чувствительностью регистрации нейтронов. Устройство обладает низкой чувствительнбстыр регистрации нейтронов ( 1 см) , что затрудняет исследов ание слабых (лс1 ) потоков нейтронов.

Целью изобретения является определение направления потоков нейтроно повьниение чувствительности регистрации, а также расширение диапазона энергий регистрируемых нейтронов.

Поставленная цель достигается тем что в известном устройстве, содер-. жащем сцинтилляционный датчик, включающий комбинированный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детектором тепловых и медленных нейтронов и окружающим его прозрачным плаютическим сцинтиллятором, фотоумножитель и подключенный К сцинтилляционному датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов, пластический комбинированный сцинтиллятор выполнен в форме шара, разделенного на одинаковые элементы светонепроницаемыми перегородками, пересекающимися в центре шара, причем в перегородке каждого из элементов установлен одИн сцинтилляционный детектор тепловых и медленных нейтронов, введенный в пластический сцинтиллятор на глубину, равную его толщине, а на сферических поверхностях каждого элемента установлено по фотоумножителю, а также тем, что светонепроницаемые перегородки выполнены в виде двух пластин, разделенных поглотителем нейтронов.

Каждый элемент пластического сцинтиллятора с установленными в перегородке детекторами тепловых и медленных нейтронов и фотоумножитель образуют самостоятельный сцинтилляционный датчик - модуль.

Возможность определения, направления нейтронного потока достигается тем, что чувствительный элемент каждого модуля, ш -я часть комбинированного сцинтиллятора, заэкранирован со всех сторон, кроме сферической поверхности, соседними частями комбинированного сцинтиллятора. При размерах элемента пластического

сцинтиллятора, сравнимых с длиной замедления нейтронов U. (т .е. при Rygpg l) наиболее вероятна регистрция нейтрона тем же модулем, в который он первоначально попал. Направление нейтронного потока можно определить из сравйения скоростей счета нейтронов, зарегистрированных различными модулями датчика.

Что касается повышения чувствительности регистрации нейтронов, то она больше чувствительности прототипа за счет того,.что при этом ж объеме; замедлителя использовано большее количество детекторов тепловых и медленных нейтронов. При этом расширяется диапазон энергий регистрируемых нейтронов, так как уменьшается минимальная толщина сло замедлителя.

На фиг%1 представлена функцио нальная схема устройства для исследования потоков нейтронов; на фиг.2 - датчик устройства при значениях m 8 и , где m - количество элементов пластического сцинтиллятора, П -коли чество перегородок.

Устройство состоит из датчика 1 и электронного блока 2, содержащего m одинаковых каналов и предназначенного для разделения сигналов от регистрируемых нейтронов, гаммаквантов и заряженных частиц каждым модулем 3. Пластический сцинтиллято 4 разделен светонепроницаемыми перегородками 5 на одинаковые элементы 6, в гранях которых расположены детекторы 7 тепловых и медленных нейтронов. На сферической поверхности каждого элемента находится соответствующий фотоумножитель 8. Датчик помещен в светонепроницаемый кожух.

Работает устройство следующим образом.

На датчик падает поток нейтронов , гамма-квантов и заряженных частиц. Нейтроны замедляются, попадая в элемент пластического сцинтиллятора, являющегося хорошим замедлителем из-за высокой концентрации водорода в сцинтиллирующей пластмассе. При размерах элемента, сравнимых с длиной замедления нейтронов, что достигается при радиусе шара, равном или несколько превосходящем последнюю, они с высокой вероятностью регистрируются детекторами тепловых и медленных нейтронов находящимися в гранях того же элемента. Световая вспышка от регистрации нейтрона через прозрачный пластический сцинтиллятор улавливается соответствующим фотоумножителем.

Импульс тока с фотоумножителя поступает в электронный блок и

идентифицируется последним как акт регистрации нейтрона данным модулем.

При замедлении нейтронов возможен их переход в соседние элементы. Переход диффузионно-мигрирующих нейтронов через элемент мало, вероятен, так как при этом они должны пересечь не менее трех граней элементов с расположенными на них детекторами тепловых и медленных

нейтронов и слой водородсодержащего вещества. Следовательно, каждый элемент пластического сцинтиллятора с расположенными на гранях детекторами тепловых и медленных нейтронов

является нейтронопоглощающим экраном для соседних модулей датчика. Из сравнения скоростей счета нейтронов, зарегистрированных различными модулями датчика, можно определить

направление падающего на датчик потока нейтронов, а по суммарному счету нейтронов во всех модулях можно найти величину потока нейтронов. При попсщании заряженной частицы в комбинированный сцинтиллятор последняя обязательно даст вспышку в одном или нескольких элементах пластического сцинтиллятора и может , дать вспышку в детекторах тепловых и медленных нейтронов. Такое событие идентифицируется электронным блоком как регистрация заряженной частицы. .

Гамма-кванты, зарегистрированные детекторами тепловых и медленных

нейтронов, дают амплитуды импульсов, отличные от амплитуд импульсов от .регистрации нейтронов, и также выделяются электронным блоком.

Чувствительность регистрации нейтронов предлагаемым устройством значительно больше чувствительности известного устройства за счет того, что при том же объеме замедлителя использовано большее количество детекторов тепловых и медленных нейтронов. Кроме того, чувствительность зависит также от размеров комбинированного сцинтиллятора, эффективности регистрации нейтронов детекторами и количества элементов.

Пластический сцинтиллятор является замедлителем нейтронов перемен- , ной толщины (см.фиг.2) и предназначен также для активной защиты от заряженных частиц. Минимальная толщина его составляет величину порядка 1 см. Вероятность поглощения тепловых нейтронов при прохождении водородсодержащего замедлителя такой толщины мала, поэтому тепловые и

медленные нейтроны.

Чувствительность регистрации нейтронов предлагаемым устройством слабо зависит от энергии нейтронов, когда длина замедления их меньше или

порядка радиуса пластического сцинтйллятора, и начинает уменьшаться, когда длина замедлен41Я становится больш радиуса последнего. Введение дополнительных поглотителей между элементами пластического сцинтиллятора увеличивает избиратель ность устройства к направлению падающего, потока, нейтронов, так как эти поглотители уменьшают вероятность взаимных переходов замедливших ся нейтронов между соседними элементами комбинированного сцинтиллятора. В реализованном устройстве в качестве сцинтилляционных детекторов тепловых и медленных нейтронов использованы кристаллы (Си ) При радиусе пластического сцинтиллятора, равного 12 cM,Vvi 8 и 1 3 на каждой грани установлено по 4 кристалла, ; .размерами 30«5 мм. При этом чувствительность регистрации нейтронов всем устройством, т.е. сумма чунствительностей всех .восьми модулей,.составляет 35 см и не зависит от углового распределения нейтронного потока, .а чувствительность каждого отдельног модуля эайисит от этого-распределения. Так, при регистрации излучения . - . . ; . - :

в точечного PQ - 6 источника скорость счета нейтронов, зарегистрированных в противоположно ориентированных относительно источника .модулях, отличается приблизительно в три раза. Если светонепроницаемые перегородки выполнены в виде двух, пластин, разделенных поглотителем нейтронов, то отнршение указанных скоростей света возрастает до четырех. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять направление потоков нейтронов с смешанных полях заряженных частиц, нейтронов и гамма-квантов без.Использования дополнительных или внешних коллиматоров и изменения положения датчика в пространстве обладает значительно большей чувствительностью регистрации нейтронов при тех же размерах и позволяет расширить диапазон энергии регистрируемых нейтронов , что особенно важно при иссле- ; довании потоков нейтронов и опредет лении их угловых характеристик в космическом .пространстве, например солнечных нейтронов и нейтронов альбедо.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕ,ЦО- ВАНИЯ ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ, содержащее сцинтилляционный датчик, включающий комбинированный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детектором тепловых и медленных нейтронов и окружаницим его прозрачным пластическим сцинтиллятором, фотоумножитель и подключенный к датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженных частиц и- гамма-квантов, о т л и ч а- ю щ ее с я ^-ем. Что, с целью определения направления потоков нейтронов, повышения чувствительности регистрации, -а также расширения диапазона энергий регистрируемых нейтронов, пластический сцинтиллятор комбинированного сцинтиллятора выполнен в форме шара, разделенного на одинаковые элементы светонепроницаемыми перегородками, пересекающимися в центре шара, причем в перегородке каждого из элементов установлен сцинтилляционный детектор тепловых и медленных нейтронов, введенный в пластический сцинтиллятор на глубину, равную его. толщине, а на сферических поверхностях каждого элемента установлен фoтoyмнo^ житель.2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что,светонепроницаемые перегородки выполнены в виде двух пластин, разделенных поглотителем нейтронов.(Лэо-4^ •jQ 'Л VIN0