Сцинтилляционный нейтронный детектор

Полезная модель относится к сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации нейтронов и может быть использована в комбинированных радиационных мониторах ядерных материалов и в физике высоких энергий для режекции электронных и адронных ливней. Сцинтилляционный нейтронный детектор, содержит световод в форме прямой призмы, одна из боковых граней которой оптически сочленена с фотоприемником, две сцинтилляционные пластины со смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS:Ag с конвертором тепловых нейтронов, содержащим ¹⁰B или ⁶ Li, которые расположены на ее противоположных основаниях и окружены замедлителем из полиэтилена. Длина и ширина основания световода не меньше пяти длин свободного пробега потока нейтронов с энергией 2 МэВ в замедлителе, а в качестве фотоприемника используют кремниевые фотоэлектронные умножители.

Полезная модель относится к сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации нейтронов и может быть использована для создания высокоэффективных нейтронных детекторов с большой чувствительной поверхностью.

Полезная модель может быть применена в комбинированных радиационных мониторах ядерных материалах, предназначенных для обнаружения ядерных материалов и радиоактивных веществ по их гамма- и/или нейтронному излучению. Радиационные мониторы позволяют проводить беспрепятственные и эффективные осмотры человека, транспорта, багажа, помещений, поиска и локализации источников гамма и нейтронного излучений, инспектирование ядерных отходов и т.д. Нейтронный детектор должен иметь низкую чувствительность к гамма-излучению для обеспечения низкого порога обнаружения ядерных материалов, испускающих быстрые и тепловые нейтроны. Полезная модель может быть также применена и в физике высоких энергий в составе ионизационных калориметров для регистрации нейтронов, образующихся при взаимодействии высокоэнергичных частиц (электронов и/или адронов) с веществом калориметра.

Известен сцинтилляционный нейтронный детектор, предназначенный для регистрации тепловых нейтронов, возникающих при взаимодействии высокоэнергичных частиц с атмосферой Земли [1]. Конструкция нейтронного детектора представляет собой классический сцинтилляционный детектор, в котором обычный пластический сцинтиллятор заменен на дисперсный неорганический сцинтиллятор (светосостав СЛ6-5) в виде гранул на основе сернистого цинка (ZnS), активированного серебром, находящегося в смеси с конвертором тепловых нейтронов на основе соединения LiF, которое обогащено изотопом ⁶Li до 95%. Изотоп ⁶Li имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов (En=0,025 эВ), равное 945 барн. Тепловой нейтрон захватывается ядром изотопа ⁶Li и происходит ядерная реакция с образованием двух зараженных частиц: альфа-частицы и тритона. Сильно ионизирующая альфа-частица возбуждает вспышку сцинтиллятора ZnS:Ag, по которой и регистрируется нейтрон. Сцинтиллятор, толщиной в несколько гранул, ламинирован в полиэтиленовую пленку и находится в основании диффузора площадью 1 кв.м, выполненного в виде усеченной четырехгранной пирамиды, который выполняет функцию воздушного световода. В вершине диффузора расположен фотоумножитель ФЭУ-200 с диаметром фотокатода 200 мм и регистрирующая электроника. Внутренняя поверхность диффузора покрыта белой краской с высоким коэффициентом диффузного отражения. Эффективность регистрации тепловых нейтронов таким детектором составляет 20-30% в зависимости от соотношения ZnS:Ag и LiF в смеси и толщины сцинтиллятора.

Несмотря на высокую светосилу, известный детектор обладает низкой эффективностью регистрации тепловых нейтронов из-за использования тонкого сцинтиллирующего слоя толщиной всего 0,3-0,5 мм. Увеличение толщины слоя повышает эффективность поглощения тепловых нейтронов, но не приводит к повышению эффективности регистрации, поскольку сцинтиллятор слабо прозрачен к собственному излучению и фактически регистрируется световое излучение, выходящее только из его поверхностного слоя. То обстоятельство, что в детекторе используют тонкий слой сцинтиллятора с относительно низким Z обуславливает его крайне низкую чувствительность к гамма-излучению. Применение ФЭУ в качестве фотоприемника света сцинтилляций приводит к недостаточной эффективности регистрации нейтронов из-за рассогласования спектральной зависимости квантовой эффективности фотокатода ФЭУ и спектра высвечивания сцинтиллятора. Кроме того, отсутствие в конструкции детектора замедлителя нейтронов лишает его возможности эффективно регистрировать быстрые нейтроны, а наличие в конструкции фокусирующего пирамидального диффузора с большим основанием существенно увеличивает габариты всего детектора.

Известен сцинтилляционный нейтронный детектор, предназначенный для дозиметрического контроля поверхностного загрязнения персонала, радиационных портальных мониторов и систем контроля радиационной обстановки [2]. Детектор включает в себя тонкую сцинтилляционную пластину со смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS, активированных Ag или Cu с конвертором тепловых нейтронов LiF, обогащенным ⁶Li до 95%, диспергированных в оптически прозрачную среду, размещенную в воздушном световоде, выполненный в форме прямой призмы из материала с высоким полным коэффициентом отражения света до 98%, торцевая часть которого оптически сочленена с ФЭУ.

Несмотря на то, что известный детектор может быть выполнен с большой чувствительной поверхностью при существенно меньших габаритах, он обладает теми же недостатками, что и ранее описанный сцинтилляционный нейтронный детектор. Использование тонкой сцинтилляционной пластины приводит к недостаточной эффективности регистрации тепловых нейтронов. Наличие в конструкции воздушного световода при заданных габаритах детектора уменьшает количество замедлителя, что приводит к уменьшению количества образовавшихся тепловых нейтронов и, в конечном счете, к уменьшению эффективности регистрации нейтронов падающих на его поверхность. Использование ФЭУ в качестве фотоприемника так же приводит к уменьшению эффективности регистрации нейтронов из-за недостаточного согласования спектральной зависимости квантовой эффективности фотокатода ФЭУ и спектра высвечивания поликристаллического сцинтиллятора ZnS:Ag(Cu). Чувствительная поверхность фотокатода ФЭУ в форме круга плохо согласована с выходной поверхностью световода, которая имеет форму прямоугольника. Несогласованность площадей приводит к ухудшению светосбора и, следовательно, к снижению чувствительности нейтронного детектора.

Известен сцинтилляционный нейтронный детектор, предназначенный для использования в составе радиационных мониторов [3]. Детектор включает в себя тонкую сцинтилляционную пластину 122×15 см² со смесью кристаллов ZnS:Ag и конвертора нейтронов, содержащего изотоп ¹⁰B. Изотоп ¹⁰B имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов (En=0,025 эВ), равное 3837 барн. Тепловой нейтрон захватывается ядром изотопа ¹⁰B и происходит ядерная реакция с образованием альфа-частицы и изотопа ⁷Li, которые в свою очередь возбуждают вспышку сцинтиллятора ZnS:Ag. С каждой плоскости пластины расположены призматические световоды из органического стекла (акрила), общей толщиной 3,8 см. Торцы световодов находятся в оптическом контакте с ФЭУ (диаметр колбы 51 мм). Детектор размещен в контейнера из полиэтилена размером 152×51×15 см³ с толщиной стенок 5 см и толщиной фронтальной части (со стороны падения нейтронов) 2,5 см. Контейнер выполняет функции замедлителя и отражателя нейтронов, которые также выполняют и световоды. Эффективность известного детектора составляет 1,68 имп./с/нг Cf-252.

Известный сцинтилляционный нейтронный детектор выполнен с большой чувствительной поверхностью, однако обладает недостаточной эффективностью регистрации нейтронов вследствие использования тонкой сцинтилляционной пластины и недостаточного согласования спектральной зависимости квантовой эффективности фотокатода ФЭУ и спектра высвечивания сцинтиллятора ZnS:Ag и недостаточного светосбора из-за несовпадения чувствительной поверхности фотокатода ФЭУ (круг диаметром 51 мм) с торцевой частью световодов, имеющей форму прямоугольника размером 15×3,8 см².

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип является сцинтилляционный нейтронный детектор, предназначенный для использования в составе радиационных мониторов [4]. Детектор содержит световод в форме прямой призмы, размером 100×10×2 см³, выполненный из акрила, содержащего спектросмещающие сцинтиллирующие вещества, одна из боковых граней которой оптически сочленена с ФЭУ диаметром 51 мм, две сцинтилляционные пластины размером 100×10 см ² со смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS, активированного Ag, с конвертором тепловых нейтронов содержащего ⁶ Li или ¹⁰B, диспергированных в оптически прозрачную среду, расположены на ее противоположных основаниях [5]. Детектор размещен в контейнере из полиэтилена. Толщина фронтальной стенки контейнера со стороны падения нейтронов составляет 2,5 см, а толщина противоположной стенки 5 см. Эффективность известного детектора составляет 0,95 имп./с/нг Cf-252 [6].

Известный сцинтилляционный нейтронный детектор имеет большую чувствительную поверхность, но имеет недостаточную эффективность регистрации нейтронов из-за рассогласования спектральной зависимости квантовой эффективности фотокатода ФЭУ и спектра высвечивания сцинтиллятора ZnS:Ag и несовпадения чувствительной поверхности фотокатода ФЭУ (круг диаметром 51 мм) с находящейся в оптическом контакте торцевой поверхностью световода, имеющей форму прямоугольника размером 10×2 см².

Кроме того, общим недостатком перечисленных сцинтилляционных нейтронных детекторов, имеющих в своем составе замедлитель, в т.ч. и сцинтилляционного нейтронного детектора, принятого за прототип, является недостаточная эффективность регистрации нейтронов, испускаемых изотопом Cf-252, вследствие не оптимального размера и формы его чувствительной поверхности.

Раскрытие полезной модели. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности регистрации нейтронов со средней энергией спектра в районе 2 МэВ, например, испускаемых изотопом Cf-252.

Данная задача решается за счет того, что сцинтилляционный нейтронный детектор, содержащий световод в форме прямой призмы, одна из боковых граней которой оптически сочленена с фотоприемником, две сцинтилляционные пластины с диспергированной в оптически прозрачную среду смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS, активированного Ag, с конвертором тепловых нейтронов, содержащим изотопы ¹⁰B или ⁶Li, которые расположены на ее противоположных основаниях и окружены замедлителем из полиэтилена, отличающийся тем, что длина и ширина основания световода не меньше пяти длин свободного пробега потока нейтронов с энергией 2 МэВ в замедлителе, а в качестве фотоприемника используют кремниевые фотоэлектронные умножители.

В частном случае световод выполнен в форме прямой призмы с квадратным основанием.

В другом частном случае в качестве активатора поликристаллического сцинтиллятора ZnS используют Те.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью существенных признаков, является повышение эффективности регистрации нейтронов со средней энергией спектра в районе 2 МэВ за счет повышения количества фотоэлектронов, образующихся при взаимодействии света сцинтилляций с фотоприемником. Повышение количества фотоэлектронов достигается как повышением внутренней эффективности регистрации нейтронов за счет оптимизации формы и размеров детектора, так и применением фотоприемника, обладающего внутренним усилением, спектральная зависимость квантовой эффективности регистрации которого согласуется со спектром высвечивания сцинтиллятора ZnS:Ag. сцинтиллятора ZnS:Ag (максимум 450 нм). Возможно применение в конструкции и поликристаллического сцинтиллятора ZnS:Cu, спектр высвечивания которого так же согласуется со спектральной зависимостью квантовой эффективности кремниевого фотоумножителя.

Поскольку патентные исследования не выявили источников информации, порочащих новизну совокупности существенных признаков заявленной полезной модели, то она соответствует условиям патентоспособности, установленным статьей 1351 ГК РФ.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема сцинтилляционного нейтронного детектора, который содержит 1 - первый слой замедлителя из полиэтилена и 2 - кремниевые фотоэлектронные умножители.

На фиг. 2 представлено сечение детектора плоскостью А-А, где 1 - первый слой замедлителя из полиэтилена, 3 - первая сцинтилляционная пластина со смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS, активированного Ag, с конвертором тепловых нейтронов содержащим изотопы ⁶Li или ¹⁰B, диспергированных в оптически прозрачную среду, 4 - световод из акрила в форме прямой призмы, 5 - вторая сцинтилляционная пластина со смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS, активированного Ag, с конвертором тепловых нейтронов содержащих ⁶Li или ¹⁰B, диспергированных в оптически прозрачную среду и 6 - второй слой замедлителя из полиэтилена.

На фиг. 3 представлено изображение части детектора в корпусе - 7, выполненном из полиэтилена, где 4 - световод, а 2 - матрицы кремниевых фотоэлектронных умножителей.

На фиг. 4 представлены: 1 - спектральная зависимость квантовой эффективности регистрации ФЭУ с мультищелочным фотокатодом, 2 - спектральная зависимость квантовой эффективности кремниевого фотоэлектронного умножителя, а так же 3 - спектр высвечивания люминофорной композиции на основе смеси ZnS:Ag с конвертором тепловых нейтронов, содержащим изотопы ^{10 В} или ⁶Li.

На фиг. 5 представлены: 1 - зависимость эффективности регистрации нейтронов от площади чувствительной поверхности детектора, выполненного в форме прямой призмы с прямоугольным основанием длиной 100 см при падении нейтронов в виде узкого луча перпендикулярно геометрическому центру чувствительной поверхности и 2 - аналогичная зависимость при плоскопараллельном падении нейтронов на чувствительную поверхность детектора.

На фиг. 6 представлена зависимость отношения чувствительной площади детектора в форме прямой призмы с квадратным основанием (S ₁) к чувствительной площади детектора в форме прямой призмы с прямоугольным основанием (S₀) длиной 100 см при равной эффективности регистрации нейтронов.

Зависимости, представленные на фиг. 5 и фиг. 6, получены в результате численного моделирования прохождения нейтронов, испускаемых изотопом Cf-252 через предложенный детектор и их регистрации.

Как следует из данных, представленных в графическом виде на фиг. 4, использование в качестве фотоприемников кремниевых фотоэлектронных умножителей вместо ФЭУ примерно втрое увеличивает количество фотоэлектронов, образовавшихся в результате регистрации света сцинтилляций, возникшего при взаимодействии теплового нейтрона с сцинтилляционными пластинами. Кремниевый фотоэлектронный умножитель - это фотоприемник на основе упорядоченного набора (матрицы) p-n-переходов (ячеек), выполненных на общей подложке из кремния. Каждая ячейка работает в режиме счетчика Гейгера. Характерный размер ячейки составляет порядка 30-100 мкм. Плотность упаковки матрицы составляет 100-1000 ячеек/мм². При перенапряжении питания 2-5 В значения коэффициента усиления находятся в диапазоне 3×10⁵-1×10⁷. Эффективность регистрации света зависит от длины волны регистрируемого излучения и составляет около 40% в максимуме спектральной чувствительности [7]. Технические характеристики кремниевого фотоэлектронного умножителя позволяют ему регистрировать отдельные фотоны. Таким образом, использование в качестве фотоприемника кремниевого фотоэлектронного умножителя не только повышает эффективность регистрации нейтронов, но и существенно снижает энергопотребление детектора. Небольшой размер его чувствительной поверхности обеспечивает согласование форм поверхностей световода и фотоприемника, находящихся в оптическом контакте.

Как следует из графика 1, приведенного на фиг. 5 диаметр чувствительной поверхности в площади которой регистрируется тепловой нейтрон при падении быстрого нейтрона перпендикулярно к чувствительной поверхности составляет в около 25 см или пять длин свободного пробега в полиэтилене быстрых нейтронов с энергией 2 МэВ. При дальнейшем увеличении диаметра чувствительной поверхности эффективность регистрации нейтронов практически остается постоянной. При плоскопараллельном падении потока быстрых нейтронов на поверхность детектора с ростом диаметра чувствительной поверхности уменьшается число нейтронов, утекающих через боковую поверхность, обратно пропорционально диаметру, что иллюстрирует график 2, приведенный на фиг. 5. Таким образом, установленные в результате численного моделирования закономерности позволяют сделать вывод, что длина и ширина световода и, следовательно, сцинтилляционных пластин или чувствительной поверхности детектора должны быть не менее пяти длин свободного пробега потока нейтронов с энергией 2 МэВ в полиэтиленовом замедлителе. При практическом использовании это означает, что два «узких» разнесенных детектора обладают в совокупности меньшей эффективностью регистрации нейтронов, чем один детектор с эквивалентной площадью чувствительной поверхности. Например, как следует из данных, приведенных на фиг. 5, детектор с площадью чувствительной поверхности 100×20 см² за единицу времени зарегистрирует в 1,5=16,4/10,9 раза больше нейтронов, испускаемых изотопом Cf-252, чем количества нейтронов, зарегистрированных двумя разнесенными детекторами с площадью чувствительной поверхности 100×10 см² .

При падении плоскопараллельного потока нейтронов постоянной интенсивности форма чувствительной поверхности детектора нейтронов должна обладать симметрией относительно оси, перпендикулярной к ее центру. Указанная форма чувствительной поверхности отличается от прочих тем, что она минимизирует отношение периметра к площади и, следовательно, уменьшается количество нейтронов, утекающих через боковую поверхность детектора.

При использовании сцинтилляционного нейтронного детектора в физике высоких энергий требуется обеспечить эффективную регистрацию нейтронов в условиях высоких загрузок. Для решения этой задачи требуется высокое быстродействие детектора. В противном случае за счет просчетов будет снижаться эффективность регистрации нейтронов. Для сохранения эффективности регистрации нейтронов в условиях высоких загрузок предлагается использовать в конструкции детектора поликристаллический сцинтиллятор ZnS, активированный Те, для которого длительность нарастания и спада выходного сигнала (импульса) составляет соответственно 3-10 нс и 250 нс [8].

Путем численного моделирования была рассчитана эффективность регистрации плоскопараллельного потока нейтронов, испущенных изотопом Cf-252 детектором нейтронов, принятым за прототип, с площадью чувствительной поверхности 100×10 см². Как следует из данных, представленных на фиг.6, ту же эффективность регистрации обеспечивает предложенный детектор нейтронов, толщины слоев замедлителя (2,5 см и 5 см), а так же толщина световода (2 см), которого совпадают с аналогичными данными сцинтилляционного нейтронного детектора, принятого за прототип, а площадь чувствительной поверхности составляет 32×32 см, т.е. 50% от площади чувствительной поверхности детектора, принятого за прототип.

Источники информации

1. Громушкин Д.М., Стенькин Ю.В., Яшин И.И. Сцинтилляционный детектор для измерения фоновых потоков тепловых нейтронов. Научная сессия МИФИ - 2008, т. 9, с. 181-182.

2. Зайцев Е.И., Иванов А.И., Усманов P.P., Хвастунов М.М. «Сцинтилляционный нейтронный детектор». Патент RU 2488142 С1, 09.02.2012 г.

3. R2DNT-6x48 Neutron Detector Bar. Bridgeport Instruments LLC. http://www.bridgeportinstmments.com/products/ncounter/r2dnt_6x48_r1.pdf

4. Ramsden D., Giles C. Radiation detector. Patent No.: US 20130146775 A1, Jul. 16, 2010 (прототип).

5. Dallimore M., Giles C., Ramsden D., Dermody G.S. The development of a scalable he-3 free neutron detection technology and its potential use in nuclear security and physical protection applications. Symetrica Inc. 1 Clock Tower Place, Suite 130, Maynard MA 01754 http://www.inmm.org/source/proceedings/files/2011/а593_1.pdf.

6. Kouzes RT, Ely J.H., Lithium and Zinc Sulfide Coated Plastic Neutron Detector Test. Pacific Northwest National Laboratory Report PNNL-19566, 2010.

7. Клемин С., Кузнецов Ю., Филатов Л. и др. «Кремниевый фотоэлектронный умножитель: новые возможности», ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 8/2007.

8. Горохова Е.И., Тюрин Г.П., Христич О.А. «Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц». Патент RU 2173469 C2, 14.05.1999 г.

1. Сцинтилляционный нейтронный детектор, содержащий световод в форме прямой призмы, одна из боковых граней которой оптически сочленена с фотоприемником, две сцинтилляционные пластины с диспергированной в оптически прозрачную среду смесью поликристаллического сцинтиллятора ZnS, активированного Ag с конвертором тепловых нейтронов, содержащим изотопы ¹⁰В или ⁶Li, которые расположены на её противоположных основаниях и окружены замедлителем из полиэтилена, отличающийся тем, что длина и ширина основания световода не меньше пяти длин свободного пробега нейтронов с энергией 2 МэВ в замедлителе, а в качестве фотоприемника используют кремниевые фотоэлектронные умножители.

2. Сцинтилляционный нейтронный детектор по п. 1, отличающийся тем, что световод выполнен в форме прямой призмы с квадратным основанием.

3. Сцинтилляционный нейтронный детектор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активатора поликристаллического сцинтиллятора ZnS используют Те.