УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к детектирующим элементам, а именно к устройствам, в которых происходит одновременно регистрация гамма-квантов и потоков тепловых нейтронов за счет взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с рабочим веществом детектора, и может быть использована для обнаружения и идентификации гамма-нейтронного излучения, применяемого в ядерно-физических исследованиях, в атомной энергетике, для технологического контроля при переработке ядерного топлива, для реакторной диагностики, для исследований газонефтяных скважин, для радиационного экологического контроля территорий, в ядерной медицине, а также для контроля перемещений гамма-нейтронных источников на таможне, в аэропортах, на железнодорожных вокзалах.
Уровень техники.
Известен сцинтилляционный детектор для регистрации гамма-излучения на основе кристалла NaI и оптически связанного с ним фотоэлектронного фотоумножителя, преобразующего световые вспышки, образовавшиеся в сцинтилляторе при поглощении гамма-кванта, в электрический импульс (Абрамов А.И. Основы ядерной физики. М: Энергоиздат, 1983, 256 с.).
Однако в сцинтилляционном детекторе такие параметры, как конверсионная эффективность, световыход и время высвечивания, не обеспечивают высокого энергетического разрешения при регистрации гамма-квантов. Время обнаружения слабых источников гамма-излучения для таких детекторов составляет десятки и сотни секунд. Кроме того, этот детектор не обеспечивает регистрацию потоков нейтронов.
3
Известен детектор, позволяющий регистрировать тепловые нейтроны, основу которого составляет ионизационная камера, заполненная газом Hе (Glen F. Knoll. Radiation detectors and Measurements. Second Eitor. 1990).
3
3
Регистрация нейтронов в этом детекторе осуществляется на основе ядерной реакции Hе+n→р+H. О наличии нейтронов судят по количеству зарегистрированных импульсов в единицу времени. Обычно процесс обнаружения длится (100-300) с. Но этот детектор не позволяет регистрировать и, тем более, идентифицировать гамма-кванты.
Недостатком известных устройств является длительное время обнаружения источников гамма-нейтронного излучения и их идентификации.
3
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели устройством и принятым в качестве прототипа является устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения (Патент на изобретение №2264674, 08.09.2003, РФ), представляющее собой импульсную цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, зарядочувствительным усилителем и блоком высоковольтного питания. Данный детектор наполнен сверхчистым ксеноном при давлении (40-50) атм., что соответствует плотности ксенона (0,3-0,6) г/см, с добавлением водорода в количестве (0,2-0,3)% от общего содержания ксенона. Он имеет высокое энергетическое разрешение, что позволяет в единицы (до 10-12) секунд обнаруживать и идентифицировать источники гамма-излучения.
131
132
Однако в данном ксеноновом детекторе регистрация нейтронов осуществляется лишь в результате взаимодействии нейтронов с ядрами ксенона в соответствии с реакцией Xе+n→Хе+γ, при этом сечение этой реакции мало и составляет не более 10 барн, что в конечном итоге определяет невысокую эффективность регистрации этих частиц. Кроме того, корпус ионизационной камеры этого детектора имеет большую толщину (до 3 мм нержавеющей стали), что, во-первых, существенно увеличивает общую массу детектора, во-вторых, не позволяет эффективно регистрировать гамма-кванты с энергиями 30-50 кэВ. И, в-третьих, наличие толстой стенки создает большую комптоновскую подложку в энергетическом спектре от рассеянных в ней гамма-квантов, что увеличивает время набора спектра.
Раскрытие полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка конструкции гамма-нейтронного детектора на базе цилиндрической ионизационной, заполненной сжатым ксеноном, обеспечивающего эффективную регистрацию и идентификацию подвижных и неподвижных источников гамма-нейтронного излучения малой активности за минимальное время (единицы секунд) с выдачей спектрометрической информации на дисплей.
Техническим результатом полезной модели является расширение энергетического диапазона регистрируемых гамма-квантов в область низких энергий, оперативная (в течение единиц секунд) одновременная регистрация гамма-квантов с измерением их энергетического спектра и потоков тепловых нейтронов, уменьшение общего веса гамма-нейтронного детектора.
Основным преимуществом предлагаемой полезной модели является то, что она может использоваться для оперативного (в течение единиц секунд) обнаружения и идентификации подвижных и неподвижных источников гамма-нейтронного излучения в широком диапазоне энергий (30-5000) кэВ, в том числе, при контроле на входных турникетах аэропортов, вокзалов, метро, стадионов и других местах скопления людей.
Краткое описание чертежей.
Суть полезной модели проиллюстрирована на фиг.1.
3
Предлагаемая полезная модель содержит цилиндрическую ионизационную камеру 1, блок высоковольтного питания 2, зарядочувствительный усилитель 3. Камера 1 заполнена рабочим веществом детектора, представляющим собой сверхчистый ксенон с плотностью 0,3-0,6 г/см с примесью водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания ксенона и дополнительно введенным гелием-3 в количестве 0,5-2,0% также от общего содержания ксенона. Внутри камеры 1 на керамических изоляторах 4 и 5 установлены анод 6, экранирующая сетка 7 и центральная нить 8.
Камера 1 представляет собой тонкостенную трубу 9 с толщиной стенки (0,8-1,0) мм, заваренную с двух сторон сферическими крышками, снабженную бандажными кольцами 10 равномерно по всей длине и, кроме того, для обеспечения необходимой прочности покрытой композитным материалом на основе синтетического волокна 11 (кевлар или углепластик). Камера 1 помещена в пенал 12 из водородосодержащего материала (полиэтилена) для замедления быстрых нейтронов до тепловых энергий.
Тонкая стенка камеры 1 позволяет расширить нижнюю границу диапазона измеряемых гамма-квантов до (40-50) кэВ.
Осуществление полезной модели.
Заявленное устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения работает следующим образом.
На корпус ионизационной камеры 1, который является катодом, и экранирующую сетку 7 от блока высоковольтного питания 2 подается высокое напряжение 20 и 12 кВ соответственно, вследствие чего в ионизационной камере возникает электрическое поле.
При взаимодействии гамма-кванта с рабочим веществом детектора возникают электроны и ионы, которые могут быстро рекомбинировать, поэтому необходимо создать электрическое поле, чтобы направить их к разноименным электродам ионизационной камеры. Электроны, образовавшиеся в ионизационной камере, дрейфуют к аноду, на котором формируется электрический заряд, величина которого пропорциональна энергии зарегистрированного гамма-кванта, а ионы дрейфуют к катоду.
3
3
Для регистрации тепловых нейтронов в рабочее вещество детектора добавлен гелий-3 в количестве 0,5% от общего содержания ксенона. Регистрация тепловых нейтронов осуществляется вследствие ядерной реакции Hе+n→р+H (Власов Н.А. Нейтроны. Издательство наука. 1971. 470 с.), которая имеет очень большое сечение взаимодействия - 5327 барн (John R. Stehn, Murrey D. Goldberg, Benjamin A. Magurno and Renate Wiener-Chasman. Neutron cross sections, Volume 1, Brookhaven National laboratory, May 1964.), что обеспечивает высокую эффективность регистрации нейтронов. В процессе взаимодействия нейтронов с гелием-3 в рабочем веществе детектора образуется протон и тритий, которые затем создают электроны и ионы атомов ксенона. Электроны под действием электрического поля дрейфуют к аноду и создают на нем электрический заряд, который далее преобразуется с помощью зарядочувствительного усилителя 3 в электрический сигнал.
Устройство работает в режиме электронного собирания. Индукционный эффект, который обычно присутствует в ионизационных камерах, в данном случае практически полностью устраняется благодаря использованию экранирующей сетки. В результате достигается высокое энергетическое разрешение.
Для формирования спектров регистрируемого гамма-излучения в данном устройстве используется амплитудно-цифровой преобразователь, для визуализации измеренных спектров гамма-излучения, их обработки и хранения используется персональный компьютер.