Широкоапертурный сцинтилляционный детектор для определения параметров нейтронного потока в нейтронном генераторе
Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений. Сущность изобретения состоит в том, что широкоапертурный сцинтилляционный детектор для определения параметров нейтронного потока в нейтронном генераторе имеет вакуумно-плотный корпус, соединенный с источником пучка дейтонов, тритиевую мишень, расположенную внутри корпуса, полупроводниковый детектор, при этом корпус детектора изготовлен из оптически прозрачного радиационно-прочного материала, на внутренней поверхности которого нанесен слой нанокристаллического сцинтиляционного материала, а полупроводниковый детектор, являющийся позиционно-чувствительным фотодетектором, расположен с внешней стороны корпуса. Технический результат заключается в улучшении пространственной, угловой и временной точностей регистрации момента и/или направления вылета быстрых нейтронов, увеличении аппертуры регистрации направления вылета быстрых нейтронов, увеличении радиационной прочности системы регистрации.
Изобретение относится к детектированию ионизирующих излучений, более конкретно - к определению моментов и направлений вылета быстрых нейтронов, создаваемых в нейтронных генераторах, и может использоваться в ядерной технике (включая энергетику), нейтронно-активационных установках определения пространственного распределения химического состава различных предметов, включая инспекционные системы антитеррористического и таможенного контроля транспортных средств и других закрытых объемов.
Из близких по устройству и назначению заявляемому изобретению известны, по крайней мере, две системы регистрации факта и времени создания быстрых нейтронов в нейтронном генераторе по сопутствующим альфа-частицам, генерируемым одновременно с быстрыми нейтронами при ядерной реакции ускоренных в генераторе дейтонов с тритиевой мишенью и вылетающим в направлениях, строго противоположных направлениям вылета нейтронов.
В первой системе (патент США US 6297507) указанные альфа-частицы попадают в слой неорганического сцинтиллятора, нанесенного на оптическое стекло, а вспышки света, излучаемые при этом сцинтилляционным слоем, регистрируются фотоумножителем, установленным с задней по отношению к потоку альфа-частиц стороны. Данная система имеет два существенных недостатка - наличие большого количества поверхностей раздела между сцинтилляционным слоем и фотоумножителем, ослабляющих световой сигнал за счет отражения и рассеяния, и трудности получения необходимого уровня вакуума для эффективной генерации быстрых нейтронов.
Во второй системе, содержащей откачиваемый вакуумно-плотный корпус, соединенный с источником пучка дейтонов, тритиевую мишень и полупроводниковый детектор, расположенные внутри корпуса (патент РФ 2247411), производится регистрация альфа-частиц, образованных в результате реакции дейтонов с тритиевой мишенью, полупроводниковым детектором. Электрический сигнал, созданный в полупроводниковом детекторе при попадании в него альфа-частицы, по вакуумно-плотным токовводам передается наружу корпуса для последующей электронной обработки.
Данная система лишена недостатков первого аналога, т.к., электрический сигнал создается непосредственно в том самом элементе, куда попадают альфа-частицы, и необходимость вывода его наружу не затрудняет задачу достижения высокого вакуума. Поэтому вторая система регистрации факта и момента создания быстрого нейтрона по определению времени попадания в полупроводниковый детектор сопутствующей нейтрону альфа-частицы выбрана за прототип.
Недостатками выбранного прототипа являются следующие:
1) полупроводниковый детектор находится под непосредственным воздействием ионизирующих излучений, что уменьшает его рабочий ресурс вследствие ограниченной радиационной прочности полупроводниковых материалов;
2) введение полупроводникового детектора непосредственно внутрь генератора создает технологические неудобства, связанные с необходимостью размещения его в вакуумной полости, что, в частности, уменьшает угловую апертуру регистрации направлений вылета нейтронов.
Технический результат, для достижения которого предназначена заявляемая полезная модель, заключается в улучшении пространственной, угловой и временной точностей регистрации момента и/или направления вылета быстрых нейтронов, увеличении аппертуры регистрации направления вылета быстрых нейтронов, увеличении радиационной прочности системы регистрации.
Для достижения заявленного технического результата в широкоапертурном сцинтилляционном детекторе для определения параметров нейтронного потока в нейтронном генераторе, содержащем вакуумно-плотный корпус, соединенный с источником пучка дейтонов, тритиевую мишень, расположенную внутри корпуса, и полупроводниковый детектор, вакуумно-плотный корпус изготовлен из оптически прозрачного радиационно-прочного материала, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой нанокристаллического сцинтиляционного материала, а полупроводниковый детектор, являющийся позиционно-чувствительным фотодетектором, расположен с внешней стороны корпуса. Сцинтилляционный слой из нанокристаллического материала, обладающего значительно увеличенным световыходом, существенно ускореннным быстродействием и повышенной радиационной прочностью по сравнению с монокристаллическими аналогами, имеет толщину, достаточную для поглощения альфа-частиц и в тоже время он прозрачен для света, излучаемого наносцинтиляторами. За счет этого устранены лишние поверхности раздела, ослабляющие световые сигналы, и существенно расширена (до 180°) угловая апертура определения углов вылета нейтронов. Моменты и местоположение световых вспышек, возбуждаемых в слое наносцинтилляторов альфа-частицами, регистрируются позиционно-чувствительными фотодетекторами, охватывающими полностью всю часть прозрачного корпуса, в которую могут попадать альфа-частицы.
Отличительными особенностями являются:
- корпус нейтронного генератора, в котором происходит генерация быстрых нейтронов и сопутствующих им альфа-частиц, изготовлен из оптически прозрачного радиационно-прочного материала;
- на внутреннюю поверхность корпуса нанесен сцинтилляционный слой, чувствительный к попаданию альфа-частиц, изготовленный из нанокристаллического сцинтилляционного материала.
- момент и пространственное положение вспышки света в сцинтилляционном слое регистрируются полупроводниковым детектором, расположенным с внешней стороны корпуса, и охватывающим полностью всю его часть, в которую могут попадать альфа-частицы.
Описанная выше схема широкоапертурной системы определения временных и пространственных характеристик быстрых нейтронов приведена на чертеже (фиг.1).
Широкоапертурный сцинтилляционный детектор для определения параметров нейтронного потока в нейтронном генераторе состоит из вакуумно-плотного корпуса 1 из оптически прозрачного радиационно-прочного материала (синтетического лейкосапфира), внутри которого размещена мишень 2. На внутренней стенке корпуса нанесен сцинтилляционный слой 3 (например, нанокристаллические LuBO3, GdBO 3, активированные Се, LuF3, активированный Се или Gd и т.д.). С внешней стороны корпуса расположен полупроводниковый детектор 4.
Широкоапертурная система работает следующим образом: вакуумно-плотный радиационно-прочный корпус 1, содержащий тритиевую мишень 2 и нанесенный на его внутреннюю поверхность слой наносцинтилляторов 3, стыкуется с источником пучка дейтонов 5 (ускорительной частью нейтронного генератора). При столкновении дейтона с определенной точкой тритиевой мишени 2 создется быстрый нейтрон с энергией 14 Мэв и альфа-частица, вылетевшая в строго противоположном направлении. Альфа-частица поглощается сцинтилляционным слоем 3, причем в точке ее попадания в него возникает световая вспышка, момент и пространственное положение которой регистрируется позиционно-чувствительным полупроводниковым детектором 4. По точке рождения альфа-частицы и точке ее попадания в сцинтилляционный слой 3 с высокой точностью определяется направление вылета быстрого нейтрона, а время вспышки с высокой точностью соответствует времени рождения нейтрона.
Приведенная система регистрации существенно улучшает параметры устройств, использующих быстрые нейтроны. Например, при использовании их в нейтронно-активационном анализе химического состава предметов, скрытых внутри транспортных контейнеров, вагонов и других транспортных средств, по возбужденным нейтронами характеристическим гамма-спектрам определяются химические элементы, из которых состоят инспектируемые объекты. Знание направления вылета нейтронов и момента регистрации соответствующего определенному нейтрону гамма-спектра позволяет установить пространственное положение точки, в которой расположены формирующие этот гамма-спектр химические элементы.
Широкоапертурный сцинтилляционный детектор для определения параметров нейтронного потока в нейтронном генераторе, содержащий вакуумно-плотный корпус, соединенный с источником пучка дейтонов, тритиевую мишень, расположенную внутри корпуса, полупроводниковый детектор, отличающийся тем, что корпус детектора изготовлен из оптически прозрачного радиационно-прочного материала, на внутренней поверхности которого нанесен слой нанокристаллического сцинтиляционного материала, а полупроводниковый детектор, являющийся позиционно-чувствительным фотодетектором, расположен с внешней стороны корпуса.
