Коллиматор

Полезная модель к области нейтронной физики, неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов. Техническим результатом полезной модели является увеличение коэффициента преобразования первичных нейтронов, повышение плотности потока тепловых нейтронов на облучаемых образцах до максимально возможной. Технический результат достигается тем, что меньшее основание коллиматора примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты из борированного полиэтилена для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора, примыкающий к конвертеру-отражателю блока-замедлителя в месте расположения выходного канала, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки из гадолиния и кадмия, а слой полиэтилена с образованием полости, набран из отдельных элементов для изменения размеров ее от 5×5×5 см до 10×10×10 см. 1 с.п.ф. 7 илл.

Полезная модель к области нейтронной физики, неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов.

Известно устройство для измерения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей, содержащее наружный кадмиевый экран.

Устройство содержит съемные поглотители нейтронов и кольцевой кадмиевый коллиматор-держатель съемных поглотителей. Внутри коллиматора-держателя между каждой парой окон установлен съемный поглотитель, а коллимирующие окна и наружный кадмиевый экран образуют формирователи коллимированных направленных пучков тепловых нейтронов.

В устройстве в качестве съемных поглотителей использованы таблетки из бора, размещаемые в кадмиевом коллиматоре-держателе посередине между окнами имеющие одинаковую поглощающую способность тепловых нейтронов. Патент Российской Федерации №1752079, МПК: G01T 3/00, 1995.

Известен двухслойный коллиматор, выполненный из водородосодержащего замедлителя нейтронов (полиэтилен) - внешний слой коллиматора и кадмиевого поглотителя тепловых нейтронов - внутренний слой коллиматора. Патент Российской Федерации №2158011, МПК: G01T 1/20, G01T 3/06, 2000.

Известно рентгеновское устройство, содержащее источник излучения, средство для размещения образца, коллиматор, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченного конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы. Патент Российской Федерации №2239822, МПК: G01N 23/04, 2004. Прототип.

Известные устройства обеспечивают высокий уровень радиационной безопасности, но при этом характеризуются сложностью конструкции.

Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения.

Задачей полезной модели является повышение коэффициента преобразования быстрых нейтронов в тепловые и повышение плотности потока тепловых нейтронов в месте расположения исследуемых объектов.

Техническим результатом полезной модели является увеличение коэффициента преобразования первичных нейтронов, повышение плотности потока тепловых нейтронов на облучаемых образцах до максимально возможной.

Технический результат достигается тем, что в коллиматоре, выполненном в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, меньшее основание примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты из борированного полиэтилена для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора, примыкающий к конвертеру-отражателю блока-замедлителя в месте расположения выходного канала, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки из гадолиния и кадмия, толщиной 0,2 и 0,6 мм соответственно, а слой полиэтилена с образованием полости, набран из отдельных элементов для изменения размеров ее от 5×5×5 см до 10×10×10 см.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-7.

На фиг.1 схематично представлен разрез устройства в горизонтальной плоскости, где: 1 - источник быстрых нейтронов (изотопный источник или нейтронный генератор), 2 - блок-замедлитель быстрых нейтронов из полиэтилена в виде куба размером 20×20×20 см, 3 - полость блока-замедлителя 2 с размерами от 5×5×5 см до 10×10×10 см, 4 - конвертер из вольфрама площадью 15×15 см и

толщиной 2 см, 5 - конвертер-отражатель из свинца толщиной 20 см, 6 - слой защиты коллиматора из висмута толщиной 10 см от гамма-излучения, 7 - слой защиты коллиматора из борированного полиэтилена толщиной 16 см. для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, 8 - дополнительная защита коллиматора из свинца толщиной 20 см, 9 - слой защиты коллиматора из борированного полиэтилена размером 1,5×1,5×0,5 м, 10 - слой защиты коллиматора из висмута размером 120×80×25 см, 11 - коллиматор для тепловых нейтронов выполнен в виде канала в форме усеченной пирамиды, верхнее основание которой (размером 12×12 см) примыкает непосредственно к выходному каналу 3 блока-замедлителя 2. Нижнее основание имеет размеры (30×40 см).

Внутренняя часть коллиматора покрыта слоем гадолиния. Длина коллиматора 11, включая длину полости 3 в блоке - замедлителе 2, составляет 1,5 м. Между слоями 8, 9, 10 дополнительной защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния толщиной 0,2 мм и кадмия толщиной 0,6 мм. Внешняя поверхность защиты также покрыта слоями гадолиния и кадмия.

На фиг.2 приведено экспериментальное распределение плотности потока тепловых нейтронов f _т для сплошного блока-замедлителя 2 размером 30×30×30 см и 50×50×50 см вдоль оси, совпадающей с осью блока-замедлителя 2, и результаты теоретического расчета, где: 1 - размер 30×30×30 см, 2 - размер 50×50×50 см, 3 - расчет для замедлителя 30×30×30 см. Как видно из приведенных зависимостей максимум f_т находится в районе 4 см от источника первичных нейтронов и незначительно увеличивается с увеличением размера блока-замедлителя 2. Расчетные данные удовлетворительно совпадают с экспериментальными результатами.

На фиг.3 приведено распределение плотности потока тепловых нейтронов f _т вдоль оси блока-замедлителя 2 размером 20×20×20 см при различных толщинах конвертера 4 из вольфрама (толщины: 1-0.5 см; 2 - 1 см; 3-2 см; 4-3 см; 5-4 см).

Оптимальным является вольфрамовый конвертер 4 размером 15×15×2 см. Применение конвертера 4 повышает долю тепловых нейтронов.

На фиг.4 представлена зависимость величины кадмиевого отношения R_Cd в замедлителе из полиэтилена размером 20×20×20 см и свинцового конвертера-отражателя 5 толщиной 10 см от расстояния до мишени. При расстоянии от мишени в диапазоне от 2,5 см до 20 см величина кадмиевого отношения R _сd изменялось от 25 до 55 без конвертера-отражателя 5 и от 25 до 80 с конвертером-отражателем 5.

В области максимума распределения плотности потока тепловых нейтронов f _т величина кадмиевого отношения R_Cd составляет 60-70.

На Фиг.5 приведено распределение f _т в внутри замедлителя без канала вывода (кривая 1) и на дне канала вывода (кривая 2). Как видно из приведенных данных, распределение f_т в канале практически равномерно. Зависимость распределения плотности потока тепловых нейтронов f_т в замедлителе с вольфрамовым конвертером (2 см): кривая 1 - без канала вывода; кривая 2 - с каналом вывода.

На фиг.6 представлены расчетный спектры нейтронов на выходе коллиматора (в центре, кривая 1) и на торцевой поверхности защиты (на расстоянии 20 см от его оси, кривая 2).

На фиг.7 представлено распределение плотности потока нейтронов на выходе коллиматора и вблизи поверхности дополнительной защиты в следующих энергетических интервалах: 0-0,025 эВ - кривая 1; 0,4-100 эВ - кривая 2, 0,1-100 кэВ - кривая 3, 0,1-11 Мэв - кривая 4, 11-14 Мэв - кривая 5.

Коллиматор работает следующим образом. Быстрые нейтроны источника 1 излучаются в полный телесный угол. Значительная их часть попадает в вольфрамовый конвертер 4. Конвертер 4 расположен между источником быстрых нейтронов 1 и блоком-замедлителем 2. Между торцевой поверхностью конвертера 4 и ближайшей поверхностью полости 3 должно быть 2 см полиэтилена. Экспериментальные исследования показали, что площадь конвертера 4 должна быть не менее 15×15 см. и толщиной 2 см.

Для использования в качестве конвертеров 4 эффективны материалы: Be, W, Pb и U. В данном устройстве использован конвертер 4 из вольфрама. При прохождении быстрых нейтронов через конвертер 4 происходит неупругое

рассеяние быстрых нейтронов, при котором в результате одного акта рассеяния нейтрон теряет энергию, что позволяет уменьшить размер полиэтиленового блока-замедлителя 2. Одновременно возникает реакция (n, 2n), сечение которой для большинства изотопов вольфрама составляет около 2 барн. Это приводит к размножению нейтронов и уменьшению их энергии.

Быстрые нейтроны попадают в полиэтиленовый блок-замедлитель 2, в котором испытывают столкновения с ядрами водорода. В результате столкновения быстрые нейтроны замедляются до энергии 0,07 эВ, близкой к энергии тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны, рожденные в полиэтиленовом блоке-замедлителе 2, пронизывают полость 3 блока-замедлителя 2 и сталкиваются с материалом конвертера-отражателя 5. При этом они частично испытывают отражение обратно в блок-замедлитель 2. Конвертер-отражатель 5 преобразует и не замедлившиеся еще быстрые нейтроны за счет реакции (n, 2n), как и в конвертере 4 около источника быстрых нейтронов 1.

Тепловые нейтроны, не испытавшие отражение от стенок конвертера-отражателя 5, вытекают наружу и поглощаются в основном в слое защиты коллиматора 7 из борированного полиэтилена. Частично тепловые нейтроны поглощаются внутри блока-замедлителя 2 в результате неупругого рассеяния на водороде. Гамма-излучение, возникающее в результате неупругого рассеяния тепловых нейтронов в блоке-замедлителе 2, ослабляется в конвертере-отражателе 5 и в слое защиты коллиматора 6 из висмута. Слой защиты коллиматора 6 из висмута позволяет уменьшить выходящее из источника фоновое гамма излучение, так как, количество рожденных в нем гамма-квантов из-за неупругого рассеяния быстрых нейтронов, примерно, в 10 раз меньше, чем в свинце.

Поток тепловых нейтронов выходит из блока-замедлителя 2 и попадает в коллиматор 11, на выходе которого устанавливают исследуемый объект. Для уменьшения рассеяния тепловых нейтронов внутренняя поверхность коллиматора 11 покрыта слоем гадолиния толщиной 0,2 мм.

Коллиматор, выполненный в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, отличающийся тем, что меньшее основание коллиматора примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты из борированного полиэтилена для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора, примыкающий к конвертеру-отражателю блока-замедлителя в месте расположения выходного канала, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки из гадолиния и кадмия толщиной 0,2 и 0,6 мм соответственно, а слой полиэтилена с образованием полости набран из отдельных элементов для изменения размеров ее от 5×5×5 см до 10×10×10 см.