СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATION NEUTRON DETECTOR

Изобретение относится к области нейтронных детекторов, а именно сцинтилляционных нейтронных детекторов для дозиметрического контроля поверхностного загрязнения персонала, радиационных портальных мониторов и систем контроля радиационной обстановки, предназначенных оповещать визуально или звуком, или и тем и другим, о том, что некая величина превышает определенное значение наличия радиоактивного нейтронного загрязнения или радиоактивного нейтронного источника, а также измерять значения величин в заданном диапазоне.
6
Известно устройство РИМ (радиационный портальный монитор) NeuPort™ 2500 фирмы «Saint-Gobain Crystals», где используется сцинтилляционный нейтронный детектор на базе сцинтиллятора ZnS:Ag(Cu):LiF и является замещающим традиционные нейтронные детекторы с Не-3 трубками в связи с резким дефицитом этого газа. NeuPort Detection Solutions (Проспект, «Saint-Gobain Crystals»).
6
Детектор состоит из сцинтилляционной пластины со смесью кристаллов ZnS(Ag):LiF диспергированых в оптически прозрачную среду (прозрачная эпоксидная смола), помещенной между двумя световодами - двух пластин из прозрачного не сцинтиллирующего материала (плексиглас) с канавками, в которые уложены спектро-смещающие световодные волокна, ФЭУ и устройства обработки информации.
Недостатками известного устройства является низкий процент светосбора световолокнами (5-6%), ослабление света в волокне до 80% на 1 м длины, достаточно сильная температурная зависимость коэффициента пропускания света, сложность конструкции и технологии световода и, как следствие, высокая стоимость. Вследствие этих факторов не удается получить равномерный по длине детектора отклик (амплитуда импульса), что осложняет достижение эффективной режекции гамма-излучения при сохранении высокой эффективности регистрации нейтронов. Кроме того, прозрачные органические материалы, служащие одним из элементов световода, обладают более низкой (в 2 раза) замедляющей нейтроны способностью по сравнению с полиэтиленом и удаляют размещение полиэтиленового замедлителя на расстояние равное или больше толщине элементов световода, что приводит к снижению эффективности регистрации нейтронов.
1
Другим известным техническим решением является «Сцинтилляционный детектор для измерения фоновых потоков тепловых нейтронов» Д.М.Громушкин, Ю.В.Стенькин, И.И.Яшин
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1
Институт ядерных исследований РАН
ISBN 978-5-7262-0883-1, Научная сессия МИФИ-2008, Том 9, стр.181.
6
В данном устройстве сцинтиллятор ZnS(Ag):LiF присоединен непосредственно к ФЭУ, обеспечивая максимально возможный светосбор для данного типа нейтронных детекторов.
2
Существенным недостатком подобных детекторов нейтронов является ограниченный площадью фотокатода размер детектирующего элемента. В связи с этим, при создании детекторов нейтронов для радиационных портальных мониторов РПМ, обычно с чувствительной площадью 0,2-0,8 м понадобятся десятки ФЭУ, что делает систему сложной и высокой стоимостью.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому устройству по совокупности признаков является устройство «Neutron Detector with Layered Thermal-Neutron Scintillator and Dual Function Light Guide and Thermalizing Media»
Патент США: № US 007244947 B2
Date of Patent: Jul. 17, 2007
Детектор предназначен для дозиметрического контроля загрязнения персонала делящимися радиоактивными материалами, радиационных портальных мониторов и систем контроля радиационной обстановки.
6
Детектор состоит из сцинтилляционной пластины со смесью кристаллов ZnS(Ag):LiF диспергированых в оптически прозрачную среду (прозрачная эпоксидная смола), помещенной между двумя или более световодами - пластин из оптически прозрачного не сцинтиллирующего материала (акриловое стекло или плексиглас), являющиеся одновременно световодами и замедлителями нейтронов.
Недостатками известного технического решения, принятого за прототип, является то, что материал световода обладает более низкой (в 2 раза) замедляющей нейтроны способностью по сравнению с полиэтиленом и удаляют размещение полиэтиленового замедлителя на расстояние равное или больше толщине световода, что приводит к ухудшению условий замедления и снижению эффективности регистрации нейтронов.
Другим недостатком из-за низкого процента светосбора и потерь света при транспортировке к ФЭУ, осложняется эффективная режекция гамма излучения.
Кроме этого, используется световод из плексигласа с высоким качеством полировки поверхности для транспортировки света, что ведет к существенному удорожанию устройства.
6
Некоторые недостатки сцинтилляционной пластины ZnS:Ag(Cu):LiF осложняют его применение для нейтронного детектирования. Присутствие большого количества быстрых и медленных компонент времени спада в световой эмиссии сульфид-цинкового порошка ZnS:Ag(Cu) (от десяток наносекунд до превышающих десятки микросекунд) заставляет использовать специальные методы обработки сигналов. Из-за высокого показателя преломления кристалла ZnS(Ag) (n=2.4) и низкой прозрачности пластина представляет собой высоко рассеивающую среду с маленькой световой передачей в воздушную среду. Поверхность пластины имеет высокую шероховатость из-за особенностей технологии ее производства и вследствие этого, при многократном отражении света возникают его высокие потери. Поэтому, широко распространенные методы светосбора, основанные на высокой прозрачности сцинтиллятора и эффекта полного внутреннего отражения, затрудняют их использование при разработке даже небольшого размера детектора.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение эффективности регистрации нейтронного излучения, снижение чувствительности к гамма-излучению, упрощение технологии и уменьшение стоимости нейтронного детектора, а также возможность замены нейтронных Не-3 трубок в детекторах отслуживших свой срок и в связи с резким сокращением мировых запасов газа Не-3.
6
Указанная задача (или указанный технический результат) достигается тем, что в сцинтилляционный нейтронный детектор, включающий в себя сцинтилляционную пластину со смесью кристаллов ZnS:Ag(Cu):LiF, диспергированных в оптически прозрачную среду, элементов световода, фотоэлектрического умножителя и регистрирующего устройства с дискриминатором по форме импульса, в устройство введены воздушный световод, выполненный из материала с высоким полным коэффициентом отражения света 96-98%, а поверхность сцинтилляционной пластины покрыта оптически прозрачным и отражающим материалом, регистрирующее устройство с режекцией импульсов гамма-излучения выполнена по схеме интегрирования аналоговых импульсов в задержанном и фиксированном по длительности окне.
6
На Фиг.1 дан общий вид нейтронного детектора с воздушным световодом и сцинтилляционной пластиной ZnS:Ag(Cu):LiF.
6
На Фиг.2 дано схематическое изображение нейтронного детектора и некоторые виды реализации нейтронного детектора со сцинтилляционной пластиной ZnS:Ag(Cu):LiF для предлагаемого изобретения, где:
1) фотоэлектрический умножитель ФЭУ
2) воздушный световод
6
3) пластина сцинтиллятора ZnS:Ag(Cu):LiF
Данный тип нейтронных детекторов реализуется параллелепидной формой воздушного световода с размещенной в нем сцинтилляционной пластиной а). Толщина световода может быть оптимизирована для получения необходимой эффективности регистрации нейтронов приближением полиэтиленового замедлителя к сцинтилляционной пластине, уменьшая ее до нескольких миллиметров. При необходимости получения более высокой эффективности регистрации нейтронов добавляются сцинтилляционные пластины, позиции b), с) и d).
6
Реализация необходимых функциональных возможностей разработанного нейтронного детектора требует, чтобы поверхность сцинтилляционной пластины ZnS:Ag(Cu):LiF была покрыта оптически прозрачным и отражающим материалом с коэффициентом преломления меньше, чем у прозрачной эпоксидной смолы, используемой при изготовлении пластины, в диапазоне длин волн света испускаемого сцинтиллятором, что увеличивает выход света в воздушную среду и уменьшает световые потери при многократном отражении. Поверхность воздушного световода выполнена из материала с высоким полным коэффициентом отражения света 96-98%, обычно анодированный алюминий с посеребренной поверхностью.
На Фиг.3 показана функциональная схема регистрирующего устройства, выполненного по схеме интегрирования импульсов в задержанном и фиксированном по длительности окне, где изображены:
1) Воздушный световод с размещенной в нем сцинтилляционной пластиной
2) Фотоэлектрический умножитель ФЭУ
3) Быстрый усилитель
4) Дискриминатор опорного уровня ДОУ
5) Схема задержи СЗ
6) Одновибратор ОВ
7) Схема совпадения СС
8) ОВ задания фиксированного по длительности окна
9) Схема управляемого спектрометрического усилителя-интегратора
10) Дискриминатор нижнего уровня ДНУ
Световая вспышка, собранная световодом (1), попадает на фотокатод ФЭУ (2).
Импульсы с анода ФЭУ поступают на быстрый усилитель БУ (3), где они усиливаются с максимально возможным сохранением формы: по длительности, времени нарастания и амплитуде; и с его выхода подаются на вход дискриминатора опорного уровня ДОУ (4) и на аналоговый вход управляемого спектрометрического усилителя-интегратора (9). На вход V, ДОУ подается опорное напряжение V, определяющего нижний уровень дискриминации быстрых аналоговых импульсов. Импульсы с выхода дискриминатора опорного уровня ДОУ поступают через одновибратор ОВ (6) на один из входов схемы совпадения СС (7), а на другой вход СС поступают импульсы с ДОУ через схему задержки СЗ (5). На выходе СС появляются импульсы, в основном обусловленные регистрацией нейтронов.
γ
n
γ
С выхода СС (7) импульсы поступают на вход одновибратора ОВ (8), с выхода которого импульсы поступают на вход управления схемы управляемого спектрометрического усилителя-интегратора (9) и обеспечивают работу в фиксированном по длительности и задержке фиксированном окне. На аналоговый вход усилителя-интегратора (9) поступают спектрометрические импульсы с быстрого усилителя БУ. В результате, на выходе управляемого спектрометрического усилителя-интегратора (9) получается модифицированный амплитудный спектр импульсов с небольшим содержанием импульсов от гамма излучения, находящихся в области маленьких амплитуд. Импульсы с усилителя-интегратора (9) подаются на дискриминатор нижнего уровня ДНУ (10). На вход V, ДНУ подается опорное напряжение V, определяющего нижний уровень дискриминации импульсов модифицированного амплитудного спектра. Значение этого напряжения V, ДНУ выставляется по максимальному отношению счета импульсов от нейтронов Nin к счету импульсов от гамма-излучения Ni - Ni/Ni, измеряемых на выходе ДНУ (10) "Вых Ni".
На Фиг.4 показаны осциллограммы импульсов на выходе быстрого усилителя БУ (3) в задержанном и фиксированном по длительности окне от нейтронного излучения - А, и от гамма-излучения - Б. Видно, что различия между спектральными компонентами импульсов от нейтронного излучения и гамма излучения весьма значительны, что позволяет разделить их по длительности, времени нарастания, амплитуде импульсов, плотности заполнения пачек импульсов и времени их возникновения. Большое количество быстрых и медленных компонент времени спада в световой эмиссии сульфид-цинкового порошка ZnS:Ag(Cu) обусловлено его ионизацией тритонами и альфа частицами возникающих в процессе ядерной реакции:
6
4
3
Li+n=He+H+4.8 МэВ,
а отклик на гамма-излучение представляет собой в основном или одиночные импульсы, или незначительное заполнение импульсами задержанного интегрируемого с фиксированной длительностью окна.
На Фиг.5 приведены формы не модифицированных спектров нейтронного и гамма-излучений, зарегистрированных сцинтилляционным нейтронным детектором. Не модифицированный спектр А) с простым интегрированием близок к экспоненциальному распределению, в следствие этого сложно и не эффективно, то есть без потерь счета нейтронных импульсов осуществить режекцию гамма излучения дискриминацией нижнего уровня ДНУ. В то время, как в модифицированном спектре Б) амплитудное распределение от нейтронного излучения существенно отличается от гамма, что обусловлено предварительным хорошим отбором формы импульса и позволяет проводить дополнительную режекцию гамма излучения дискриминацией нижнего уровня ДНУ без потери нейтронного счета.
Технический результат заявляемого изобретения может быть выражен в достижении и улучшении следующих параметров:
-1
-1
n
- повышение чувствительности Rn к нейтронному излучению: отношение показания скорости счета детектора N (с) к измеряемой нейтронной активности источника А (поток нейтронов с), R=N/A,
γ
γ
-1
- понижение чувствительности R к гамма-излучению: отношение показания скорости счета детектора N (с) к измеряемой гамма-активности А (Бк), R=N/A,
- повышение пределов регистрации нейтронного излучения при указанном гамма-фоне,
- уменьшение времени контроля,
- возможность замены нейтронных Не-3 трубок в детекторах отслуживших свой срок и в связи с резким сокращением мировых запасов газа Не-3,
- повышение технологичности и экономичности при изготовлении, а также простота и надежность в эксплуатации.