RU2730392C1

RU2730392C1 - Сцинтилляционный детектор нейтронов

Info

Publication number: RU2730392C1
Application number: RU2020101542A
Authority: RU
Inventors: Алексей Александрович Юдов; Юрий Илларионович Чернухин
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2020-08-21

Abstract

Изобретение относится к области детектирования быстрых и тепловых нейтронов. Сущность изобретения заключается в том, что сцинтилляционный детектор нейтронов содержит датчик-сцинтиблок, собранный из чередующихся элементов, составленных из пластин, в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, с продольными каналами, выполненными на их боковых поверхностях, в которые уложены переизлучающие волокна, и отдельных слоев стекловолокна, в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, при этом к каждому чередующемуся элементу подключены отдельные фотоприемные устройства, а толщина чередующихся элементов выбрана при условии, что средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов больше суммарной толщины пластины и слоя стекловолокна. Технический результат – обеспечение высокого коэффициента дискриминации гамма-излучения. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области детектирования быстрых и тепловых нейтронов в условиях повышенного γ-фона и может быть использовано в стационарных и переносных устройствах обнаружения делящихся и радиоактивных материалов по их собственному нейтронному излучению.

Известны сцинтилляционные детекторы быстрых нейтронов с дискриминацией гамма-квантов (Столярова Е.А. Нейтронные спектрометры и их применение в прикладных задачах. М.: Атомиздат, 1969). Детекторы на основе органического кристалла стильбена позволяют осуществлять дискриминацию гамма-квантов по форме импульса. Однако их применение ограничено из-за небольших размеров кристалла и нечувствительности к тепловым нейтронам.

Известен сцинтилляционный детектор быстрых и тепловых нейтронов (патент РФ №2259571 G01T 1/20, 3/06, опубл. 27.08.2005). Детектор состоит из датчика и блока электронной обработки сигналов. Датчик состоит из двух сцинтилляторов: пластмассового, чувствительного к быстрым нейтронам, и стеклянного, содержащего литий-6, чувствительного к тепловым нейтронам. Данный детектор не позволяет производить разделение нейтронов и гамма-квантов и, таким образом, не позволяет обнаруживать источники нейтронного излучения на фоне гамма-излучения.

Известны детекторы (патент РФ RU 2129289, G01T 1/167; опубл. 20.04.1999), в которых для регистрации гамма-излучения используются пластмассовые сцинтилляторы большой площади, а для регистрации нейтронов - гелиевые разрядные нейтронные детекторы. Недостатком данного детектора является отсутствие раздельной регистрации нейтронов и гамма-квантов.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов на основе пластика и ⁶Li-силикатного стекла, содержащий датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов, описанный в патенте РФ №2143711, МПК G01T 1/20, опубл. 29.12.1999 г. под названием «Детектор для регистрации ионизирующего излучения».

Недостаткам данного технического решения является невозможность обеспечения эффективной регистрации как быстрых, так и тепловых нейтронов с помощью компактных фотодиодных устройств или многоканальных фотоэлектронных умножителей, поскольку детектор рассчитан на работу в сочетании с обычными однооконными, т.е. одноканальными фотоэлектронными умножителями в качестве фотоприемников.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является детектор, описанный в патенте РФ №2300782, МПК G01T 1/20, опубл. 10.06.2007 г. под названием «Сцинтилляционный детектор нейтронов». Сцинтилляционный детектор нейтронов, содержащий датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, со светоотражающим покрытием и продольными каналами по внешней боковой поверхности, и стеклянный сцинтиллятор на основе активированного церием ⁶Li-силикатного стекла для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, выполненный в виде стекловолокон, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора или фотоумножителя и блок электронной обработки сигналов.

К недостаткам известного сцинтилляционного детектора относится отсутствие возможности разделения нейтронного и гамма-излучения с целью последующей дискриминации гамма-излучения.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей сцинтилляционного детектора нейтронов за счет увеличения чувствительности к нейтронному излучению и повышением эффективности регистрации как быстрых, тепловых нейтронов и гамма-излучения с обеспечением высокого коэффициента дискриминации сопутствующего гамма-излучения (К_γ>>10³).

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в обеспечении высокого коэффициента дискриминации гамма-излучения за счет временной дискриминации коррелированных сигналов от гамма-квантов в слоях детектора дополнительно к обычно используемой амплитудной дискриминации с сохранением эффективности регистрации нейтронного излучения, за счет использования амплитудно-временного разделения сигналов от нейтронов и гамма-квантов при сохранении высокой эффективности регистрации нейтронного излучения.

Это достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе нейтронов, содержащем датчик-сцинтиблок, включающем в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма квантов, со светоотражающим покрытием и продольными каналами по внешней боковой поверхности, стеклянный сцинтиллятор на основе активированного церием ⁶Li-силикатного стекла для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, выполненный в виде стекловолокон, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора или фотоумножителя и блок электронной обработки сигналов согласно изобретению, датчик-сцинтиблок собран из чередующихся элементов, составленных из пластин, в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, с продольными каналами, выполненными на их боковых поверхностях, в которые уложены переизлучающие волокна, и отдельных слоев стекловолокна, в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, при этом к каждому чередующемуся элементу подключены отдельные фотоприемные устройства, а толщина чередующихся элементов выбрана при условии, что средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов больше суммарной толщины пластины и слоя стекловолокна.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема сцинтилляционного детектора нейтронов.

На фиг. 2 представлена схема размещения элементов в сцинтилляционном детекторе нейтронов.

На фиг. 3 представлена схема регистрации сигналов со сцинтилляционного детектора нейтронов устройством с амплитудно-временной дискриминацией γ-излучения.

На чертежах введены следующие обозначения:

1 - пластины пластикового сцинтиллятора C_i, где i=1, 2…i+1(CH_1.1, ρ=1,06 г/см³) (C_i-пластины 1);

2 - слои стеклянного сцинтиллятора B_i, где i=1, 2…i (Si_1.0 O_2.58 ⁶Li_0.363 ⁷Li_0.027. ρ=2,58 г/см³ (B_i-слои 2 стекловолокна) из сцинтиллирующего стекловолокна активированного изотопом ⁶Li;

3 - переизлучающее волокно;

4 - продольные каналы в пластинах пластикового сцинтиллятора, в которые уложено переизлучающее волокно;

5 - линейка отдельных фотоприемников, к которым подсоединено сцинтиллирующее стекловолокно от каждого слоя;

6 - линейка отдельных фотоприемников, к которым подсоединено переизлучающее волокно от каждого С-слоя.

Для светоизоляции С- и В-слоев 1 и 2 все пластины пластикового сцинтиллятора в сцинтиблоке закрыты тонкой пленкой из светоотражающего материала.

Сцинтилляционный детектор нейтронов содержит датчик-сцинтиблок, выполненный (фиг. 1) из чередующихся C_i, где i=1, 2…i+1 пластин 1 (C_i -пластин 1), в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов (СН_1.1, ρ=1,06 г/см³) и слоев 2 из сцинтиллирующего стекловолокна B_i, где i=1, 2…i (B_i-слоев 2 стекловолокна), активированных изотопом ⁶Li (Si_1.0 O_2.58 ⁶Li_0.363 ⁷Li_0.027. ρ=2,58 г/см³), в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов. В продольные каналы 4 C_i-пластин 1 (фиг. 2) пластикового сцинтиллятора, выполненных на их внешней и внутренней боковых поверхностях, уложены переизлучающие волокна 3 (фиг. 2), с одной стороны все переизлучающие волокна 3 собраны в пучок и их торцы подключены к отдельным фотоприемникам 6 (фиг. 1). В датчике-сцинтиблоке каждый слой подключен к отдельному фотоприемному устройству 5 или 6 (фиг. 1). Сцинтилляционный детектор нейтронов содержит блок электронной обработки сигналов (фиг. 3). Для реализации временной зависимости между регистрацией быстрых нейтронов и гамма-квантов в C_i-пластинах 1 и B_i-слоях 2 стекловолокна датчика-сцинтиблока необходимо, чтобы толщина чередующихся элементов: пластин 1 и B_i-слоев 2 стекловолокна, была выбрана таким образом, чтобы средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов была больше или равна суммарной толщине C_i-пластин 1 и B_i-слоев 2 стекловолокна, т.е. должно выполняться условие R_e (R_n)≥(Δ_B+Δ_C), где R_e - средняя длина пробега быстрых заряженных частиц, образующихся при взаимодействии регистрируемого гамма-излучения с C_i-пластин 1, R_n - средняя длина пробега нейтрона, а Δ_C, Δ_B - толщины C_i-пластин 1 и B_i-слоев 2 стекловолокна соответственно.

Устройство работает следующим образом. Нейтроны и гамма-кванты падают на фронтальную поверхность сцинтилляционного детектора нейтронов и, взаимодействуя с веществом его рабочих C_i-пластин 1 и B_i-слоев 2 стекловолокна, создают поток быстрых протонов, электронов (позитронов), энергия Е которых в детектирующих элементах преобразуется в световые сцинтилляции, регистрируемые фотоприемниками 5 и 6 от каждого элемента датчика-сцинтиблока (фиг. 3). При этом регистрация нейтронов и гамма-квантов в B_i-слоях 2 стекловолокна является вторичным процессом по отношению к процессу первичного их взаимодействия в C_i-пластинах 1, т.е. каждому акту-регистрации гамма-кванта или нейтрона в B_i-слоях 2 стекловолокна с большой долей вероятности предшествует акт их регистрации в C_i-пластинах 1.

При регистрации гамма-квантов, сигнал в B_i-слоях 2 стекловолокна образуется за счет регистрации быстрых электронов (позитронов), образовавшихся при взаимодействии гамма-квантов с веществом предшествующих C_i-пластин 1.

При регистрации нейтронов, сигнал в B_i-слоях 2 стекловолокна возникает в результате экзотермической реакции ⁶Li(n,α)T с энерговыделением 4,8 МэВ на тепловых нейтронах, образующихся при их предварительном замедлении за счет их упругих столкновений с ядрами водорода в C_i-пластинах 1, что ведет к появлению в C_i-пластинах 1 протонов отдачи и образованию сигнала.

Согласно проведенным расчетам, максимальная поглощенная энергия электронов в B_i-слоях 2 стекловолокна сцинтилляционного детектора нейтронов в широком диапазоне энергий гамма-квантов источника Е_γ≈(1÷10) МэВ не превышает значения ε_m~1,5 МэВ, что существенно меньше энергии заряженных частиц экзотермической реакции ⁶Li(n,α)T, определяющих регистрацию нейтронов в этих B_i-слоях 2 стекловолокна после их замедления и термализации в C_i-пластинах 1 пластикового сцинтиллятора для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов. Выбор соответствующего порога регистрации сигналов в B_i-слоях 2 стекловолокна позволяет реализовать амплитудную дискриминацию гамма-излучения и достичь коэффициента дискриминации регистрируемых в B_i-слоях 2 стекловолокна гамма-квантов, K_n/γ~10³ (фиг. 3).

Таким образом, тепловые нейтроны регистрируются B_i-слоями 2 стекловолокна с дискриминацией гамма-излучения посредством выбора порога амплитудной дискриминации (фиг. 3). При регистрации нейтронов амплитудный дискриминатор от B_i-слоев 2 стекловолокна пропускает сигналы с амплитудой, превышающей пороговое значение А₀, соответствующее регистрации в нем нейтронов, и не пропускает сигналы, с амплитудами А<А₀, соответствующие регистрации гамма-квантов, (амплитудная ступень n/γ - дискриминации К_n/γ~10³).

При регистрации быстрых нейтронов возникают коррелированные сигналы в любой из C_i-пластин 1 и B_i-слое 2 стекловолокна датчика-сцинтиблока с временным интервалом между ними до 200 мкс, а при коррелированной регистрации гамма-квантов сигналы возникают в рядом расположенных C_i-пластине 1 и B_i-слое 2 стекловолокна датчика-сцинтиблока с временным интервалом между ними 0,2 мкс. В предлагаемом устройстве это свойство используется для дискриминации коррелированной регистрации гамма-квантов во временном окне Δτ_лз~0,2 мкс путем исключения коррелированных сигналов схемой антисовпадения. Запуск схемы антисовпадения осуществляется от сигналов B_i-слоев 2 стекловолокна, поступающих с выхода амплитудного дискриминатора (фиг. 3).

Временная дискриминация гамма-квантов осуществляется схемой антисовпадения (фиг. 3) путем регистрации отсутствия факта совпадения во временном окне длительностью Δτ_CAC~0,2 мкс сигнала с амплитудного дискриминатора (фиг. 3) и сигнала с C_i-пластины 1, задержанного линией задержки на время Δτ_ЛЗ~0,2 мкс (фиг. 3). Выбор длительности временного окна схемы антисовладения, которая на два порядка меньше временного интервала между коррелированными сигналами от C_i-пластины 1 и B_i-слоя 2 стекловолокна, возникающими при регистрации быстрого нейтрона, делает практически невозможным ложные исключения схемой антисовпадения сигналов от быстрых нейтронов, зарегистрированных этими слоями (фиг. 3).

Отсюда следует, что применение амплитудной и временной дискриминации сигналов, соответствующих коррелированной и некоррелированной регистрации гамма-квантов в В-канале детектора (фиг. 3), при выполнении условий (1, 2) позволит увеличить коэффициент их дискриминации до величины К_γ>>10³ без существенного снижения эффективности регистрации в нем нейтронов в широком энергетическом диапазоне (от тепловых до быстрых нейтронов).

На предприятии был создан экспериментальный образец сцинтилляционного детектора нейтронов, содержащего датчик-сцинтиблок, собранный из 10 C_i-пластин 1 пластикового сцинтиллятора. С каждой стороны C_i-пластины 1 выполнено по 6 продольных канавок 4 глубиной 2,5 мм, шириной 1,1 мм. В продольные канавки 4 уложено переизлучающее волокно 3 фирмы Kuraray марки Y11(200) с диаметром волокна 1 мм. Пучок переизлучающих волокон 3, выходящий из каждой C_i-пластины 1, подсоединен к отдельному ФЭУ. Каждое переизлучающее волокно 3 уложено в две продольные канавки 4 с образованием петли с одного торца C_i-пластины 1. С другого торца C_i-пластины 1 концы переизлучающего волокна 3 собраны в пучок и подсоединены к фотоприемнику 6. Пучок переизлучающих волокон 3, выходящий из каждой C_i-пластины 1, подсоединен к отдельному фотоприемнику. Между C_i-пластинами 1 пластмассового сцинтиллятора в один B_i-слой 2 стекловолокна уложено нейтроночувствительное сцинтилляционное волокно из стекла с добавлением лития и активированного церием. Основными компонентами такого стекла являются (в атомных %): кремний (25,21), кислород (64,96) и литий, обогащенный изотопом ⁶Li (⁶Li-9,14; ⁷Li-0,69). Диаметр сцинтилляционного волокна составляет 150 мкм. Стекловолокно B_i-слой 2 уложено с образованием петли с одного торца C_i-пластины 1. С другого торца C_i-пластины 1 концы стекловолокон B_i-слоя 2 собраны в пучок и подсоединены к фотоприемнику 5. Каждый B_i-слой 2 стекловолокна подключен к отдельному фотоприемнику 5. В качестве фотоприемников 5 использованы ФЭУ85 и многопиксельные лавинные фотодиоды 6 фирмы SensL 60035. Толщина каждой C_i-пластины 1 составляет 5 мм, толщина каждого B_i-слоя 2-0,15 мм, что меньше средней длины пробега заряженных частиц и нейтронов в материале детектора.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: в сцинтилляционном детекторе нейтронов, предназначенном для использования в системах обнаружения делящихся и ядерных материалов и измерения нейтронных потоков, обладает улучшенными по сравнению с прототипом эксплуатационными характеристиками и возможностями для проведения нейтронных измерений, что выражается в достижении более высокого уровня дискриминации фоновых гамма-квантов за счет применения дополнительной временной дискриминации соответствующих им коррелированных сигналов в слоях детектора при сохранении высокой эффективности регистрации нейтронного излучения.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен сцинтилляционный детектор нейтронов с улучшенными характеристиками.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Claims

Сцинтилляционный детектор нейтронов, содержащий датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, со светоотражающим покрытием и продольными каналами по внешней боковой поверхности, и стеклянный сцинтиллятор на основе активированного церием ⁶Li-силикатного стекла для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, выполненный в виде стекловолокон, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора или фотоумножителя и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что датчик-сцинтиблок собран из чередующихся элементов, составленных из пластин, в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, с продольными каналами, выполненными на их боковых поверхностях, в которые уложены переизлучающие волокна, и отдельных слоев стекловолокна, в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, при этом к каждому чередующемуся элементу подключены отдельные фотоприемные устройства, а толщина чередующихся элементов выбрана при условии, что средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов больше суммарной толщины пластины и слоя стекловолокна.