RU2158011C2 - Neutron and gamma-ray recording detector - Google Patents

Abstract

FIELD: radiation monitoring. SUBSTANCE: scintillation sensor placed in additional collimator has gamma-ray sensing Bi₄Ge₃O₁₂(BGO) crystal scintillator in the form of crystal with well accommodating insert of stilbene or plastic base neutron- sensing material and photoelectronic multiplier; in addition, amplitude sync- pulse analyzer is placed in electronic signal-processing unit at output of time selection circuit. Collimator is double-layer structure made of hydrogen- containing polyethylene neutron moderator (external layer) and cadmium neutron absorber (internal layer). Detector operates in telescopic mode to ensure directional recording of neutrons. EFFECT: improved signal-to-noise ratio of neutron-sensing insert of detector. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение предназначено для целей радиационного мониторинга, для регистрации (обнаружения) и определения местоположения источников нейтронного излучения на фоне сопутствующего, требующего учета и спектрометрического анализа гамма-излучения в системах технического радиационного контроля наземного, морского и космического базирования, в частности для обнаружения и идентификации источников нейтронного и гамма-излучения, в подразделениях министерства по чрезвычайным ситуациям, в системах таможенного контроля, в пунктах контроля за провозом делящихся материалов (урана, плутония) и в астрофизических системах контроля (за потоками высокоэнергетических нейтронов). The invention is intended for radiation monitoring purposes, for registration (detection) and determination of the location of neutron radiation sources against the background of the accompanying, requiring accounting and spectrometric analysis of gamma radiation in systems of technical radiation monitoring of land, sea and space based, in particular for the detection and identification of neutron sources and gamma radiation, in units of the Ministry of Emergency Situations, in customs control systems, in control points for transport of fissile materials (uranium, plutonium) and in astrophysical control systems (for high-energy neutron fluxes).

Известные детекторы ядерных излучений содержат, как правило, датчик и блок электронного обработки сигналов [1-5]. Например, селективный детектор по патенту [2] содержит два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, в то время как другой чувствителен только к заряженным частицам; число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с этих датчиков, выделяемым с помощью разностной схемы электронного блока. Однако возможность применимости такового детектора для регистрации незаряженных частиц, в частности гамма-излучения, в патенте [2] не оговорена. Кроме того, детектор, описанный в патенте [2], не может быть использован для работы в телескопическом режиме, т.е. для определения местоположения быстрых нейтронов, поскольку он с одинаковой эффективностью регистрирует нейтроны, поступающие как через торец, так и через боковую поверхность датчика, т. е. он не обладает геометрической избирательностью при регистрации нейтронов. Known nuclear radiation detectors contain, as a rule, a sensor and an electronic signal processing unit [1-5]. For example, the selective detector according to the patent [2] contains two sensors, one of which is sensitive to charged particles and neutrons, while the other is sensitive only to charged particles; the number of detected neutrons is determined by the difference signal from these sensors, allocated using the difference circuit of the electronic unit. However, the applicability of such a detector for detecting uncharged particles, in particular gamma radiation, is not specified in the patent [2]. In addition, the detector described in the patent [2] cannot be used for operation in telescopic mode, i.e. to determine the location of fast neutrons, since it with equal efficiency detects neutrons arriving both through the end face and through the side surface of the sensor, i.e., it does not have geometric selectivity in detecting neutrons.

Известный детектор [3] нескольких видов излучений включает два сцинтилляционных кристалла с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой - к низкоэнергетическому, и электронно-оптический блок регистрации, выделяющий сигналы от разных кристаллов-датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов. Такой детектор имеет, однако, ограниченные области применения. По данным [3] он пригоден для регистрации рентгеновского излучения с двумя различными энергиями. Такой детектор не обладает геометрической избирательностью при регистрации излучения, т.е. не имеет выделенного телескопического направления регистрации излучения и не может определять местонахождения источника быстрых нейтронов и не обеспечивает проведения спектрометрического анализа гамма-излучения. The well-known detector [3] of several types of radiation includes two scintillation crystals with green and red luminescence, one of which is sensitive to high-energy radiation, and the other to low-energy, and an electron-optical recording unit that selects signals from different sensor crystals using light filters ( green and red) and registering them using photodiodes. Such a detector, however, has limited applications. According to [3], it is suitable for detecting x-rays with two different energies. Such a detector does not have geometric selectivity in detecting radiation, i.e. it does not have a dedicated telescopic direction for detecting radiation and cannot determine the location of a source of fast neutrons and does not provide spectrometric analysis of gamma radiation.

Известно устройство, описанное в [4], содержащее датчик, в частности, сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и электронную схему селекции (разделения) сигналов (импульсов), создаваемых нейтронами и гамма-лучами. Однако такое устройство имеет весьма ограниченные области применения: любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронов и гамма-лучей в диапазоне энергий до 10 МэВ и выше. Если сцинтилляционный датчик выполнен из водородосодержащего, чувствительного к быстрым нейтронам материала, т.е. из материала с низким эффективным атомным номером, то такой датчик практически не чувствителен к высокоэнергетическому гамма-излучению в диапазоне 1-10 МэВ и выше и тем более не пригоден для спектрометрии жесткого гамма-излучения. Если сцинтилляционный датчик выполнен из материала с высоким эффективным атомным номером, то будучи чувствительным к высокоэнергетическому гамма-излучению, он не будет регистрировать быстрые нейтроны. Таким образом, известное устройство [4] непригодно для одновременной регистрации высокоэнергетического (1-10 МэВ и выше) гамма-излучения и быстрых нейтронов, оно также непригодно для определения местоположения источника нейтронов, поскольку не может работать в телескопическом режиме (не обладает геометрической избирательностью). A device is described in [4], which contains a sensor, in particular, a single-chip scintillation sensor, sensitive at the same time to neutrons and gamma rays, and an electronic circuit for the selection (separation) of signals (pulses) generated by neutrons and gamma rays. However, such a device has very limited applications: any single-chip sensor is not optimal for the simultaneous detection of neutrons and gamma rays in the energy range up to 10 MeV and higher. If the scintillation sensor is made of a hydrogen-containing material that is sensitive to fast neutrons, i.e. of a material with a low effective atomic number, such a sensor is practically insensitive to high-energy gamma radiation in the range of 1-10 MeV and higher, and is even more unsuitable for hard gamma-ray spectrometry. If the scintillation sensor is made of a material with a high effective atomic number, then being sensitive to high-energy gamma radiation, it will not detect fast neutrons. Thus, the known device [4] is unsuitable for simultaneously detecting high-energy (1-10 MeV and higher) gamma radiation and fast neutrons, it is also unsuitable for determining the location of a neutron source, since it cannot operate in telescopic mode (does not have geometric selectivity) .

Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в [5], которое содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также альфа-, бета-, гамма-излучениям, и световода, выполненного из органического водородосодержащего вещества-сцинтиллятора на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектрического умножителя, а блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от сцинтиллятора и световода. Однако такое устройство имеет достаточно ограниченные области применения: оно непригодно для спектрометрии гамма-излучения и нейтронов и, соответственно, непригодно для идентификации гамма-радионуклидов и идентификации делящихся материалов (урана, плутония и других). Поскольку чувствительный к нейтронам компонент-сцинтиллирующий световод в устройстве [5] не имеет боковой защиты, он оказывается одинаково чувствительным к быстрым нейтронам, попадающим в него как через торец, так и через боковую поверхность. Таким образом, известное устройство [5] не обладает геометрической избирательностью при регистрации быстрых нейтронов и, соответственно, непригодно для определения местоположения источников быстрых нейтронов. Кроме того, поскольку сцинтиллирующий нейтронно-чувствительный световод не имеет боковой защиты от гамма-лучей, он оказывается под воздействием сопутствующего гамма-излучения, вызывающего дополнительные сигналы, накладывающиеся на сигналы от нейтронного излучения, что снижает отношение сигнал/шум и снижает чувствительность датчика к нейтронному излучению.Closest to the claimed is the device described in [5], which contains a sensor and an electronic signal processing unit. The sensor is made in the form of a series-connected scintillation crystal based on bismuth orthogermanate Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ (BGO) sensitive to proton, x-ray, as well as alpha, beta, gamma radiation, and a fiber made of an organic hydrogen-containing scintillator substance based on stilbene or plastic (CH) _n , sensitive to fast neutrons, and a photoelectric multiplier, and the electronic signal processing unit includes a temporary selection of scintillation pulses from the scintillator and the optical fiber. However, such a device has rather limited applications: it is unsuitable for spectrometry of gamma radiation and neutrons and, therefore, unsuitable for identification of gamma radionuclides and identification of fissile materials (uranium, plutonium and others). Since the neutron sensitive scintillating fiber component in the device [5] does not have lateral protection, it turns out to be equally sensitive to fast neutrons entering it both through the end face and through the side surface. Thus, the known device [5] does not have geometric selectivity for detecting fast neutrons and, accordingly, is unsuitable for determining the location of sources of fast neutrons. In addition, since the scintillating neutron-sensitive fiber does not have lateral protection from gamma rays, it is exposed to the accompanying gamma radiation, which causes additional signals superimposed on the signals from neutron radiation, which reduces the signal-to-noise ratio and reduces the sensor sensitivity to neutron radiation.

Заявляемое устройство, фиг. 1, содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик состоит из чувствительного к гамма-излучению кристалла BGO (1) с колодцем и чувствительного к нейтронам сцинтиллирующего вещества (2) на основе стильбена или пластмассы, выполненного в виде сцинтилляционной вставки, размещенной в колодце в кристалле (1), причем сам кристалл BGO размещен в дополнительном двуслойном коллиматоре, внешний слой которого выполнен из водородосодержащего замедлителя нейтронов полиэтилена (3), а внутренний (4) из кадмия. В состав датчика входит также фотоумножитель (5), находящийся в оптическом контакте как с кристаллом BGO (1), так и со сцинтилляционной вставкой (2). Блок электронной обработки сигналов (6) содержит схему временной селекции, выход которой подключен ко входу дополнительного амплитудного анализатора сцинтиимпульсов. The inventive device, FIG. 1, contains a sensor and an electronic signal processing unit. The sensor consists of a gamma-radiation-sensitive BGO crystal (1) with a well and a neutron-sensitive scintillating substance (2) based on stilbene or plastic, made in the form of a scintillation insert placed in the well in the crystal (1), and the BGO crystal itself is placed in an additional two-layer collimator, the outer layer of which is made of a hydrogen-containing neutron moderator of polyethylene (3), and the inner (4) of cadmium. The sensor also includes a photomultiplier (5), which is in optical contact with both the BGO crystal (1) and the scintillation insert (2). The electronic signal processing unit (6) contains a temporary selection circuit, the output of which is connected to the input of an additional amplitude scintillation analyzer.

Сущность изобретения заключается в том, что сцинтилляционный датчик помещается для защиты от нейтронов, поступающих сбоку, в дополнительный двухслойный коллиматор для обеспечения телескопического режима работы и повышения чувствительности и содержит сцинтилляционный чувствительный к гамма-излучению кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), выполненный в виде кристалла с колодцем, в который помещено в виде вставки чувствительное к нейтронам сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы, и фотоэлектронный умножитель, причем в блоке электронной обработки сигналов на выходе схемы временной селекции дополнительно размещен амплитудный анализатор сцинтиимпульсов. Стенки кристалла BGO играют роль дополнительной защиты от гамма-излучения для центральной нейтронно-чувствительной сцинтилляционной вставки.The essence of the invention lies in the fact that the scintillation sensor is placed to protect from neutrons coming from the side, in an additional two-layer collimator to provide telescopic operation and increase sensitivity and contains a scintillation-sensitive gamma radiation crystal Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ (BGO), made in the form of a crystal with a well in which a neutron-sensitive scintillating substance based on stilbene or plastic is placed as an insert, and a photoelectron multiplier, moreover, in the block constant output signal processing time selection circuit is further arranged stsintiimpulsov amplitude analyzer. The walls of the BGO crystal play the role of additional protection against gamma radiation for the central neutron-sensitive scintillation insert.

Устройство работает в полях нейтронного и гамма-излучения следующим образом. Под действием быстрых нейтронов от делящихся материалов или других источников, попадающих через незащищенный наружным коллиматором торец датчика на чувствительную к ним пластмассовую (CH)_n или стильбеновую сцинтилляционную вставку, в ней возникают световые вспышки с длиной волны излучения 400-420 нм с длительностью 2-3 нс и с амплитудой, зависящей от энергии регистрируемого нейтрона. Эти короткие вспышки, создаваемые быстрыми нейтронами, поступают на фотокатод ФЭУ, создавая на его выходе электрические импульсы длительностью 2-3 нс, которые поступают на вход схемы временной селекции сцинтиимпульсов, которая подсчитывает число импульсов от нейтронов.The device operates in the fields of neutron and gamma radiation as follows. Under the action of fast neutrons from fissile materials or other sources that pass through the sensor end face that is unprotected by an external collimator and onto a plastic (CH) _n sensitive to them or a stilbene scintillation insert, light flashes with a radiation wavelength of 400-420 nm with a duration of 2-3 ns and with an amplitude depending on the energy of the detected neutron. These short flashes created by fast neutrons arrive at the photomultiplier photomultiplier tube, creating at its output electric pulses with a duration of 2-3 ns, which are fed to the input of the temporal selection scheme of scintillation pulses, which counts the number of pulses from neutrons.

Под действием гамма-излучения в сцинтилляционном кристалле BGO возникают световые вспышки с длиной волны излучения 480-505 нм и длительностью 300 нс и амплитудой, зависящей от энергии регистрируемых гамма-квантов. Эти вспышки поступают на фотоэлектронный умножитель, создавая электрические импульсы, которые после схемы временной селекции обрабатываются амплитудным анализатором работающим в спектрометрическом режиме, который позволяет, выделять сигналы от гамма-квантов от различных нейтронных источников: от U-235 с энергией гамма-квантов 143 и 185 кэВ и сигналы от гамма-квантов Pu-239 с широким спектром излучения 20-500 кэВ с основным максимумом при 393 кэВ, позволяет выделять и различать эти сигналы, т.е. идентифицировать делящиеся материалы. Амплитудный анализатор предназначен также для выделения и идентификации сигналов от других радионуклидов (если они имеются) с энергией до 1-3 МэВ и выше. Толщина стенки и дна кристалла BGO с колодцем выбирается такой (15-30 мм и более), чтобы регистрируемое им гамма-излучение поглощалось в нем полностью, не достигало центральной сцинтилляционной вставки и не вызывало в ней шумовых импульсов, обусловленных гамма-излучением радионуклидов или гамма-фоном, что обеспечивает повышенное отношение сигнал/шум нейтронно-чувствительной вставки датчика. Under the action of gamma radiation in the BGO scintillation crystal, light flashes occur with a radiation wavelength of 480-505 nm and a duration of 300 ns and an amplitude that depends on the energy of the detected gamma rays. These flashes are transmitted to the photomultiplier tube, creating electrical pulses, which, after a temporary selection scheme, are processed by an amplitude analyzer operating in spectrometric mode, which makes it possible to extract signals from gamma rays from various neutron sources: from U-235 with gamma rays of 143 and 185 keV and signals from Pu-239 gamma-quanta with a wide emission spectrum of 20-500 keV with the main maximum at 393 keV, these signals can be distinguished and distinguished, i.e. identify fissile materials. The amplitude analyzer is also designed to isolate and identify signals from other radionuclides (if any) with energies up to 1-3 MeV and higher. The wall and bottom thickness of the BGO crystal with a well is chosen such (15-30 mm or more) that the gamma radiation it records is completely absorbed in it, does not reach the central scintillation insert and does not cause noise pulses due to gamma radiation of radionuclides or gamma - background, which provides an increased signal-to-noise ratio of the neutron-sensitive sensor insert.

Таким образом, схема временной селекции сцинтиимпульсов обеспечивает раздельный и общий учет импульсов от гамма-излучения и нейтронов, а амплитудный анализатор на выходе схемы временной селекции обеспечивает спектрометрическую обработку сигналов от гамма-квантов. Thus, the temporal selection scheme of scintillation pulses provides separate and general accounting of pulses from gamma radiation and neutrons, and the amplitude analyzer at the output of the temporal selection circuit provides spectrometric processing of signals from gamma rays.

Полиэтиленовый внешний слой двухслойного коллиматора замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий, если эти нейтроны поступают в датчик из боковых направлений, отличных от осевого, а кадмиевый внутренний слой двусложного коллиматора поглощает тепловые нейтроны, не допуская их до центрального сцинтиллятора - вставки. Конверсионные гамма-кванты, возникающие при взаимодействии тепловых нейтронов с кадмием, реакция (n,γ) задерживаются и регистрируются кристаллом BGO, их вклад легко корректируется с помощью амплитудного анализатора, не уменьшая отношения сигнал/шум нейтронно-чувствительной сцинтилляционной вставки датчика. Таким образом, дополнительный двухслойный коллиматор обеспечивает направленную регистрацию нейтронов, поступающих в детектор в осевом направлении, т.е. обеспечивает телескопический режим работы детектора. The polyethylene outer layer of the two-layer collimator slows down fast neutrons to thermal energies if these neutrons enter the sensor from lateral directions other than the axial, and the cadmium inner layer of the two-layer collimator absorbs thermal neutrons, preventing them from reaching the central scintillator - insert. Conversion gamma rays arising from the interaction of thermal neutrons with cadmium, the reaction (n, γ) is delayed and detected by the BGO crystal, their contribution is easily corrected using an amplitude analyzer, without reducing the signal-to-noise ratio of the neutron-sensitive scintillation insert of the sensor. Thus, an additional two-layer collimator provides directional detection of neutrons entering the detector in the axial direction, i.e. provides a telescopic mode of operation of the detector.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является то обстоятельство, что стенки сцинтилляционного кристалла BGO играют роль дополнительной защиты от гамма-излучения для центральной нейтронно-чувствительной сцинтилляционной вставки. An additional advantage of the proposed device is the fact that the walls of the BGO scintillation crystal play the role of additional protection against gamma radiation for the central neutron-sensitive scintillation insert.

Литература
1. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. - М.: Изд-во МГУ, 1963.Literature
1. Akimov Yu.K. Scintillation methods for detecting high-energy particles. - M.: Publishing House of Moscow State University, 1963.

2. US, патент, 3688118, кл. G 01 T 1/00, 1972. 2. US Patent, 3,688,118, cl. G 01 T 1/00, 1972.

3. ЕР, заявка, 0311503, кл. G 01 T 1/00, 1989. 3. EP application 0311503, cl. G 01 T 1/00, 1989.

4. US, патент, 4482808, кл. G 01 T 3/06, 1984. 4. US Patent 4,482,808 Cl. G 01 T 3/06, 1984.

5. RU, патент, 2088952, кл. G 01 N 1/20, 1997. 5. RU, patent, 2088952, cl. G 01 N 1/20, 1997.

Claims (2)

1. Детектор для регистрации нейтронов и гамма-излучения, содержащий в качестве датчика сцинтилляционный кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки сигналов со схемой временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в нее от BGO, стильбена или пластмассы, отличающийся тем, что дополнительно содержит коллиматор, в котором размещен сцинтилляционный чувствительный к гамма-излучению кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), выполненный в виде кристалла с колодцем, а чувствительное к нейтронам сцинтиллирующее вещество на основе стильбена или пластмассы выполнено в виде сцинтилляционной вставки, размещенной в колодце кристалла BGO, причем в блоке электронной обработки сигналов на выходе схемы временной селекции сцинтиимпульсов дополнительно размещен амплитудный анализатор сцинтиимпульсов.1. A detector for detecting neutrons and gamma radiation, containing as a sensor a scintillation crystal Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ (BGO), a scintillating substance based on stilbene or plastic (CH) _n , a photomultiplier, and also an electronic signal processing unit with a circuit temporal selection stsintiimpulsov entering it from BGO, stilbene or plastics, characterized in that it further comprises a collimator, which is placed in scintillation sensitive to gamma radiation crystal Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ (BGO), made in the form of a crystal with a lodtsem and sensitive to neutrons scintillation substance based on a stilbene or plastic scintillator is in the form insert placed in the well of the crystal BGO, wherein the electronic processing unit in the signal at the output of gating circuit is further arranged stsintiimpulsov stsintiimpulsov amplitude analyzer. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что коллиматор выполнен двуслойным из водородосодержащего замедлителя нейтронов полиэтилена - внешний слой коллиматора, и кадмиевого поглотителя тепловых нейтронов - внутренний слой коллиматора. 2. The detector according to claim 1, characterized in that the collimator is made of a double layer of a hydrogen-containing neutron moderator of polyethylene - the outer layer of the collimator, and a cadmium absorber of thermal neutrons - the inner layer of the collimator.