Детектор нейтронов и гамма-квантов

Использование: обнаружение и идентификация источников радиоактивного излучения. Цель: повышение надежности обнаружения источников излучения различных размеров и форм. Сущность изобретения: детектор состоит из чередующихся слоев: слоя замедлителя нейтронов, конвертирующего слоя из высокоплотного материала, в котором -излучение трансформируется в поток электронов и позитронов, и примыкающего к нему детектирующего слоя литийсодержащего сцинтиллирующего оптоволокна. Оптоволокно преобразует энергию заряженных частиц в световые сцинтилляции. Каждый слой сцинтиллирующего оптоволокна посредством ФЭУ подключен к системе обработки информации. 1 ил.

Полезная модель относится к детекторам излучения и может быть использована для обнаружения и идентификации изотопных источников, а также для измерения энергетических и временных параметров излучения импульсных установок (устройств).

Известны ионизационные и сцинтилляционные детекторы излучения, основанные на преобразовании энергии ионизирующего излучения в электрический сигнал (Альбиков З.А., Веретенников А.И., Козлов О.В. Детекторы импульсного ионизирующего излучения. - М.: Энергоатомиздат, 1978 г.; Горн Л.С., Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.).

Каждый тип детектора имеет ограниченную область применения и ориентирован на использование в измерениях, связанных с конкретными требованиями по эффективности, спектральным характеристикам, чувствительности к излучению, временному разрешению, токовой чувствительности, возможности измерять однократные импульсы ионизирующего излучения, пределам измерения плотности потока, различным эксплуатационным характеристикам.

Известны портальные мониторы (патент Российской Федерации №2129289, G 01 T 1/167, опубл. 20.04.1999 г.), в которых широко используются для регистрации -излучения пластмассовые сцинтилляторы большой площади, а для регистрации нейтронов - гелиевые газоразрядные нейтронные детекторы.

Недостатком пластмассового сцинтиллятора является слабая спектральная чувствительность к -излучению, а недостатком нейтронных счетчиков - отсутствие спектральной чувствительности и ограниченная апертура.

Известны (R.S.Seymour, R.A.Craig, M.Bliss et al. Performance of a Neutron-Sensitive Scintillating Glass-Fiber Panel for Portal, Freight and Vehicle Monitoring. Proceeding of SPIE, v. 3536. Nuclear Waste Engineering Section, p.148-155, 1998) портальные мониторы нейтронного излучения на базе литий-содержащего сцинтиллирующего оптоволокна PUMA (по патенту США №5680423, G 01 T 3/06, 21.10.1997), в которых в качестве дополнительного детектора -квантов используются неорганические кристаллы (NaI(Tl), BGO).

К недостаткам относится: отсутствие спектральной чувствительности к нейтронам, ограниченная апертура регистрации -излучения, невозможность обеспечения спектральных -измерений в токовом режиме, высокая стоимость неорганических кристаллов больших размеров.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регистрации потоков нейтронов, описанное в патенте Российской Федерации №2102775, G 01 T 3/00, опубл. 20.01.1998 г. Устройство состоит из чередующихся замедляющих и поглощающих нейтроны слоев тепловых и медленных нейтронов (регистраторов). Каждый слой регистраторов подключен к соответствующему счетчику электрических импульсов (система обработки информации).

Недостатком такого устройства является то, что устройство не регистрирует сопутствующее нейтронам -излучение источников, что не позволяет в полной мере измерить характеристики источников излучения и, таким образом, его идентифицировать. Недостатком является и то, что оно обладает ограниченной плоской апертурой, связанной с формой и размерами газоразрядных счетчиков нейтронов, которые необходимо применять в устройстве.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании энергочувствительного, высокоэффективного детектора нейтронов и -квантов, имеющего большую апертуру и позволяющего надежно обнаруживать

и идентифицировать источники излучения различных размеров и форм.

Технический результат заключается в обеспечении высокой спектральной чувствительности детектора к нейтронам и -квантам.

Для получения такого технического результата предлагаемый детектор, состоящий из чередующихся замедляющих нейтроны и детектирующих излучение слоев, в котором каждый из детектирующих слоев подключен к системе обработки информации, согласно заявляемой полезной модели, он снабжен конвертирующими -излучение слоями из высокоплотного материала, установленными перед сцинтиллирующими оптоволокнами, детектирующими излучение.

Это приводит к тому, что благодаря конвертирующим слоям реализуется спектральная чувствительность к -излучению, использование сцинтилляционного оптоволокна позволяет создавать высокочувствительные детекторы излучения различной формы, большой апертуры - с площадью входного окна, превышающей размеры пластмассовых сцинтилляторов портальных мониторов.

В результате проведенного заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, 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 на полезную модель.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».

Полезная модель поясняется чертежом.

На фигуре представлен детектор, содержащий i-oe число чередующихся слоев: замедляющего материала (1), конвертирующего материала (2) и примыкающих к ним детектирующих слоев (3) сцинтиллирующего оптоволокна (сцинтиллятора). Продольная ось детектора ориентирована вдоль направления распространения излучения.

Устройство работает следующим образом.

Обнаружение и идентификация источников нейтронов осуществляется с помощью регистрации тепловых нейтронов в детектирующих слоях (3) после прохождения нейтронами замедляющих слоев (1). При использовании в качестве замедлителя органического сцинтиллятора для выделения доли быстрых нейтронов на фоне медленных, в блоке обработки информации (на чертеже не показан) в пределах времени замедления нейтронов анализируется совпадение импульса от быстрого нейтрона в органическом сцинтилляторе и импульса в литиевом сцинтиллирующем волокне от поглощения теплового нейтрона после его замедления.

Работа детектора по регистрации -квантов основана на следующем алгоритме. Регистрируемые -кванты с энергией Е, распространяющиеся в направлении Z, падают на фронтальную поверхность конвертирующих слоев (2) и, взаимодействуя с ними, создают поток электронов и позитронов, которые в зависимости от их энергии и пробега в слоях (2) достигают соответствующего детектирующего слоя (3) сцинтиллятора, преобразующего энергию заряженных частиц в световые сцинтилляции - отсчеты (N _i), регистрируемые ФЭУ.

Каждой энергии -квантов Е и конвертирующему слою (2) фиксированной толщины будет соответствовать свой характерный набор отсчетов N _i.

Толщина конвертирующих слоев (_k) в детекторе выбирается из условия

где R_e - средняя длина пробега образующихся в них заряженных частиц. Число конвертирующих (2) и детектирующих (3) слоев в детекторе выбирается так, чтобы его толщина была примерно равной или несколько большей длины пробега в нем -квантов с энергией Е

где d - толщина слоя;

l(Е) - длина пробега -квантов с энергией Е.

Выполнение этих условий направлено на достижение высокой эффективности и селективности детектора. Этому способствует и то, что конструкция предлагаемого детектора позволяет использовать разнообразные материалы для изготовления конвертирующих слоев и создает возможность измерения энергетического спектра регистрируемого -излучения "методом фильтров" с помощью предлагаемого детектора при условии, что регистрация сигнала от него осуществляется раздельно от каждого детектирующего слоя.

Посредством выбора материала и толщины конвертирующих слоев, а также их числа (n) возможно целенаправленно изменять энергетическую зависимость чувствительности детектора (селективность).

Конвертирующие слои детектора выполняются из материалов с высоким атомным номером и высокой плотностью (например - свинец), что позволяет создавать сцинтилляционные детекторы большой эффективности для высокоэнергетичных -квантов: проведенные расчеты для модели детектора с конвертирующими слоями из Рb толщиной _k=0,15 см и детектирующих слоев толщиной _с=0,07 см при n=10 показали, что ожидаемая эффективность регистрации -квантов с энергией Е=10 МэВ составит Э47%, что

сравнимо с соответствующей величиной для NaI-детекторов большого размера (15×10 см).

Малая толщина детектора при его большой площади (30×40) см² обусловливает новое дополнительное, ценное качество - анизотропию чувствительности по отношению к направлению падающего излучения, позволяющую определять расположение источника излучения.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:

устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при его осуществлении, предназначено для обнаружения и идентификации изотопных источников;

для заявленного детектора в том виде, как он охарактеризован в формуле на полезную модель, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;

детектор нейтронов и -квантов, воплощенный в заявленной полезной модели, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».

Детектор нейтронов и -квантов, состоящий из чередующихся замедляющих нейтроны и детектирующих излучение слоев, в котором каждый из детектирующих слоев подключен к системе обработки информации, отличающийся тем, что он снабжен конвертирующими -излучение слоями из высокоплотного материала, установленными перед сцинтиллирующими оптоволокнами, детектирующими излучение.