Детектор нейтронов

Использование: для дистанционного радиационного контроля и обнаружения источников нейтронов широкого спектра энергий, особо источников нейтронов на основе делящихся материалов и изделий из них при решении профессиональных задач службами Госатомнадзора и МЧС, а также службами специального технического контроля и радиационной разведки с использованием морских и воздушных носителей.

Сущность: Детектор нейтронов, содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³ He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики размещены на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров содержащий размещенный между полуцилиндрами замедлителя отражатель-размножитель нейтронов, изготовленный в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелого металла и слоя бериллийсодержащего материала, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, дополнительно содержит внешний отражатель нейтронов тепловых и резонансных энергий в виде ферромагнитного зеркала-экрана из намагниченных ферромагнитных монокристаллов, закрепленный на установленном внутри детектора по его оси цилиндрическом стержне с возможностью поворота вокруг него.

Технический результат: повышение чувствительности и обнаружительной способности детектора, повышение дальности обнаружения источников нейтронов, то есть повышение дальности обнаружения делящихся материалов и изделий из них.

Заявляемая полезная модель детектора нейтронов относится к области дистанционного радиационного контроля делящихся материалов (ДМ) и изделий из них. Предлагаемая полезная модель детектора нейтронов пригодна для использования в стационарных и мобильных комплексах дистанционного радиационного контроля автомобильного, морского, корабельного и вертолетного базирования, предназначенных для поиска и обнаружения ДМ и изделий из них, а также для поиска и обнаружения нейтронных источников других типов.

Известен детектор нейтронов и гамма-лучей (патент РФ 96107590 от 27.07.1998 г. МПК G01T 1/00, 3/06 авторы Б.В.Шульгин, Д.Б.Шульгин, Л.В.Викторов и др., заявитель УГТУ-УПИ (ныне УрФУ); патент РФ 2207592 от 27.06.2003 г. заявитель НПЦ «Аспект»), содержащий блок (набор) газоразрядных ³He-счетчиков и замедлитель нейтронов из водородосодержащего материала, а также модуль управления и обработки сигналов. Однако известный детектор, имеющий в качестве чувствительных элементов газоразрядные ³He-счетчики, способные регистрировать только тепловые нейтроны, обладает недостаточно высокой чувствительностью и эффективностью регистрации нейтронов широкого спектра энергий, испускаемых делящимися материалами (область спектра нейтронов деления 0,3÷10 МэВ, основная энергетическая группа нейтронов спектра деления приходится на область 2,5÷4 МэВ).

Известен детектор нейтронов сцинтилляционного типа (патент США 4482808). Детектор содержит однокристальный сцинтиблок и блок обработки информации. Однако чувствительность нейтронных детекторов сцинтилляционного типа гораздо ниже (в 4-5 раз) чувствительности нейтронных детекторов на основе газоразрядных ³He-счетчиков. Известный сцинтилляционный детектор нейтронов имеет невысокую эффективность регистрации нейтронов спектра деления.

Известен детектор нейтронов на основе ⁶Li-силикатного стеклянного сцинтиллятора (патент РФ 2272301, МПК G01T 1/00, 1/20, 3/06, авторы Д.В.Райков, Б.В.Шульгин, В.И.Арбузов и др., опубл. 20.03.2006 г. Бюл. 8), включающий, кроме сцинтиллятора, замедлитель нейтронов, фотоприемное устройство и блок обработки информации. Однако для известного детектора эффективность регистрации тепловых нейтронов, определяемая сечением реакции ⁶Li (n, a) ³ H, равным 940 барн, невысокая по сравнению с чувствительностью детекторов на основе газоразрядных ³He-счетчиков, для которого сечение захвата тепловых нейтронов около 4000 барн. Из-за того, что быстрые и промежуточные нейтроны таким детектором не регистрируются, а сечение захвата тепловых нейтронов невысоко, эффективность регистрации нейтронов широкого спектра энергий, испускаемых ДМ, для известного детектора невысокая.

Известен детектор нейтронов, пригодный для обнаружения делящихся материалов, с использованием стационарных и мобильных комплексов дистанционного радиационного контроля различного базирования (патент РФ 100294 на полезную модель, авторы Б.В.Шульгин, М.Н.Благовещенский, О.Н.Шутов и др. МПК G01T 1/00, 1/20, 3/06, опубл. 10. 12. 2010 г. Бюл. 34), содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики располагаются на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, состоящий из двух блоков, каждый из которых связан с ³He-газоразрядными счетчиками, принадлежащими соответственно первому и второму полуцилиндрам замедлителя. Однако известный детектор нейтронов на базе ³He-счетчиков, способный регистрировать только тепловые нейтроны, обладает недостаточно высокой чувствительностью и эффективностью регистрации нейтронов спектра давления, поскольку значительная часть быстрых и промежуточных нейтронов первичного потока нейтронов, испускаемых делящимися материалами, остающаяся в анализируемом потоке нейтронов в зоне контроля, таким детектором не чувствуется и не регистрируется.

Наиболее близким к заявляемому является детектор нейтронов (патент РФ на полезную модель RU 113024 U1; Шульгин Б.В., Зыков П.Г., Ищенко А.В. и др.; детектор нейтронов, МПК G01T 1/20, заявлено 26.09.2011, опубл 27.01.2012. Бюл. 3.) содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики располагаются на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, который дополнительно содержит (размещенный между полуцилиндрами замедлителя) отражатель-размножитель нейтронов, изготовленный в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелых металлов и слоя бериллийсодержащего материала в виде металлического бериллия или керамического оксида бериллия. Слой из нержавеющей стали служит отражателем для быстрых нейтронов, а слой из керамического оксида бериллия служит размножителем для быстрых (>2,5 МэВ) нейтронов вследствие (n, 2n)-реакции и одновременно служит отражателем для тепловых нейтронов.

Однако определенная доля нейтронов тепловых и резонансных энергий выходит (вследствие процессов рассеяния) за внешние границы чувствительного объема известного детектора, не возвращается назад и не регистрируется (информация об этой доле нейтронов теряется), что снижает чувствительность и соответственно обнаружительную способность детектора.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка детектора нейтронов на базе ³ He-счетчиков, обладающего более высокой чувствительностью к потокам нейтронов широкого спектра энергий при поиске делящихся материалов и изделий из них.

Задача решается за счет того, что детектор нейтронов, содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики размещены на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, содержащий размещенный между полуцилиндрами замедлителя отражатель-размножитель нейтронов, изготовленный в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелого металла и слоя бериллийсодержащего материала, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, дополнительно содержит внешний отражатель нейтронов тепловых и резонансных энергий в виде ферромагнитного зеркала-экрана из намагниченных ферромагнитных монокристаллов, закрепленный на установленном внутри детектора по его оси цилиндрическом стержне с возможностью поворота вокруг него.

Схема предлагаемого детектора нейтронов, функционирующего в вертикальном положении, приведена на Фиг.1 с указанием основных элементов: размещенные в едином корпусе (корпус на Фиг.1 не показан) параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики 1, замедлитель нейтронов 2 из водородсодержащего материала с цилиндрической полостью 3, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящий из двух прижатых друг к другу полуцилиндров, удерживаемых с помощью элементов крепежа 4 причем газоразрядные счетчики располагаются на внешней стороне полуцилиндров в один слой (для данного примера), дополнительный отражатель-размножитель нейтронов 5. Набор газоразрядных ³He-счетчиков может содержать от 10 (и менее) до 24 (и более) счетчиков. На Фиг.1 в качестве примера показан однослойный блок из 18 ³He-счетчиков, прижатых к замедлителю с помощью элементов крепежа 4.

Отражатель-размножитель нейтронов 5 в приведенном примере изготовлен в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя нержавеющей стали, а также слоя металлического бериллия или слоя керамического оксида бериллия. Дополнительный внешний отражатель 6 в виде ферромагнитного зеркала-экрана в форме полуцилиндра (представляющий собой отражатель нейтронов тепловых и резонансных энергий), изготовлен из намагниченных ферромагнитных монокристаллов, например, сплава Co-Fe. Отражатель 6 закреплен на установленном внутри детектора по его оси цилиндрическом стержне 7 с помощью втулки 8 и элементов крепежа, выполненных в виде шести стерженьков 9 (на Фиг.1 показаны 4 стерженька) Модуль управления и обработки сигналов состоит из двух блоков 10 и 11. Для отражателя 6 из ферромагнитных материалов, закрепленного на стержне 7, обеспечена возможность поворота по направляющей 13, выполненной в виде паза.

Схема предлагаемого детектора нейтронов, функционирующего в горизонтальном положении, приведена на Фиг 2. Обозначения те же, что и на Фиг.1. Вместо платформы 12 с пазом 13 (Фиг.1), используют крепежный элемент 14 для подвеса.

Для работы предлагаемый детектор нейтронов помещают в поле нейтронного излучения, Фиг.3, создаваемого делящимися материалами или другими нейтронными источниками, подлежащими обнаружению. Предлагаемый детектор работает следующим образом. Тепловые нейтроны от источника нейтронов (ДМ) спектра деления (0,3-10 МэВ, замедлившиеся до тепловых энергий 0,0253 эВ, непосредственно регистрируются газоразрядными ³He-счетчиками. Роль элементов (слоев) отражателя-замедлителя сводится к следующему. Слой бериллийсодержащего материала, во-первых, увеличивает плотность потока группы быстрых нейтронов, имеющих энергию E>2,5 МэВ в 2 раза вследствие реакции (n, 2n) и соответственно увеличивает долю нейтронов, мигрирующих в тепловую группу, то есть увеличивает эффективность регистрации первичных нейтронов спектра деления. Кроме того, металлический бериллий или его оксид являются идеальными отражателями для тепловых нейтронов и возвращают значительную часть часть тепловых нейтронов в зону действия ³He-счетчиков, что также увеличивает эффективность регистрации исходных, первичных нейтронов спектра деления, испускаемых делящимися материалами. Слой отражателя-размножителя из тяжелых металлов (в приведенном примере из нержавеющей стали) вызывает эффективное отражение быстрых нейтронов первичного потока, их возврат в зону действия замедлителя из водородсодержащего материала, для последующего замедления до тепловых энергий, возврат и регистрацию в зоне действия ³He-счетчиков и так же, как и в случае прототипа, повышает эффективность регистрации нейтронов спектра деления.

Дополнительный внешний отражатель нейтронов тепловых и резонансных энергий в виде ферромагнитного зеркала-экрана, изготовленного из сплава Co-Fe или Sm-Co, улавливает часть нейтронов тепловых и резонансных энергий, которые вследствие процессов рассеяния вышли за внешние границы чувствительного объема детектора и возвращает их назад. Ферромагнитное зеркало-экран позволяет изменять амплитуду когерентного магнитного рассеяния нейтронов от нуля до некоторой максимальной величины, то есть позволяет подобрать такое брегговское отражение и величину намагниченности, чтобы ядерная и магнитная амплитуды рассеяния оказались равными. Тогда для нейтронов со спином, антипараллельным направлению намагниченности, суммарная амплитуда рассеяния равна нулю. То есть под углом Брегга (для ферромагнитного экрана-отражателя 6, установленного на платформе 12 имеется возможность подстройки под оптимальный угол Брегга путем поворота экрана-отражателя по выполненной в виде паза направляющей 13) отразится пучок нейтронов со спинами, параллельными намагниченности, что выполняется для нейтронов тепловых и резонансных энергий. (Физический энциклопедический словарь под редакцией А.М.Прохорова. М. Советская энциклопедия. 1983. стр.577). Отражение части нейтронов под углом Брегга и возврат их в зону чувствительного объема детектора дополнительно увеличивает чувствительность и соответственно обнаружительную способность детектора по оценке на 30-45%.

Предлагаемый детектор нейтронов (вследствие увеличения эффективности регистрации нейтронов широкого спектра энергий обеспечивает новый технический результат: повышение чувствительности и соответственно обнаружительной способности детектора, а также повышение дальности обнаружения источников нейтронов широкого спектра энергий в виде делящихся материалов и изделий из них.

Детектор нейтронов, содержащий размещенные в едином корпусе параллельно друг другу газоразрядные ³He-счетчики и замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, выполненный в виде составного полого цилиндра, состоящего из прижатых друг к другу полуцилиндров, причем газоразрядные счетчики размещены на их внешней стороне в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров, содержащий размещенный между полуцилиндрами замедлителя отражатель-размножитель нейтронов, изготовленный в виде двухслойной пластины, состоящей из слоя тяжелого металла и слоя бериллийсодержащего материала, а также содержащий модуль управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит внешний отражатель нейтронов тепловых и резонансных энергий в виде ферромагнитного зеркала-экрана из намагниченных ферромагнитных монокристаллов, закрепленный на установленном внутри детектора по его оси цилиндрическом стержне с возможностью поворота вокруг него.