УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ ПОСРЕДСТВОМ КАЛОРИМЕТРИИ НА ОСНОВЕ ГАММА-ЗАХВАТА
APPARATUS AND METHOD FOR NEUTRON DETECTION BY CAPTURE-GAMMA CALORIMETRY

Настоящее изобретение относится к устройству для детектирования нейтронного излучения, предпочтительно, тепловых (медленных) нейтронов, с использованием гамма-лучевого сцинтиллятора для косвенного детектирования.
3
3
Несмотря на большое разнообразие известных способов, и устройств, которые доступны для детектирования нейтронов, обычная трубка He все еще преобладает в большинстве приложений, где требуется подсчет нейтронов с наибольшей эффективностью при наименьшей стоимости. Однако ожидается дефицит He, поэтому необходимы альтернативы.
Такие альтернативные детекторы известны в технике. В книге Кнолла (Knoll) «Radiation Detection and Measurement», 3-е издание 2000 г., стр. 506, утверждается, что все обычные реакции, используемые для детектирования нейтронов, являются реакциями с испусканием заряженных частиц. В частности, возможными продуктами реакции, используемыми для детектирования, являются ядра отдачи (в основном протоны), тритоны, альфа-частицы и осколки деления. Тем не менее, в некоторых специализированных детекторах используется гамма-излучение, сопровождающее реакцию захвата нейтрона, но такие приложения сравнительно редки.
6
10
113
157
В патенте US 7525101 B2 Гродзинса (Grodzins) раскрыт детектор, использующий гамма-лучевой сцинтиллятор. В патенте Гродзинса раскрыт детектор, содержащий нейтронный сцинтиллятор, непрозрачный для входящих оптических фотонов, проложенный между двумя световодами, один из которых также выступает в качестве гамма-лучевого сцинтиллятора. Этот детектор также, в общем случае, использует испускание тяжелых заряженных частиц после захвата нейтрона. В патенте Гродзинса в качестве материалов, способных к захвату нейтрона, упомянуты Li, B, Cd или Gd. Они используются совместно со сцинтилляционным компонентом ZnS, при этом заряженные частицы теряют энергию, что приводит к сцинтилляции материала ZnS с излучением около 50 оптических фотонов на каждый кэВ потери энергии, что дает сотни тысяч оптических световых квантов после каждого захвата нейтрона.
В результате, детектор, раскрытый в патенте Гродзинса, излучает световые кванты к обеим сторонам листа нейтронного сцинтиллятора. Затем сам детектор измеряет совпадение детектирования света по обе стороны листа нейтронного сцинтиллятора. Такое совпадающее измерение рассматривается как сигнатура захвата нейтронов в листе нейтронной сцинтилляции. Этот детектор позволяет отличать нейтроны от гамма-излучения, поскольку гамма-квант будет останавливаться только в гамма-сцинтилляторе, который оптически отделен от другого световода.
Помимо усложненной конструкции, раскрытие патента Гродзинса имеет тот недостаток, что не позволяет отличать нейтронные события от космического фонового излучения и излучение других энергичных заряженных частиц, которое может вызывать сцинтилляцию в материале, поглощающем нейтроны, или черенковский свет в световодах, также сопровождаемый излучением света в оба световода.
113
157
Другим недостатком раскрытия патента Гродзинса является неудовлетворительное различение нейтронного и гамма-излучения в случае использования Cd или Gd в качестве материалов, способных к захвату нейтрона. В этом случае, детектор оказывается чувствительным также к внешнему гамма-излучению. Импульсы, генерируемые при детектировании внешнего гамма-излучения в нейтронном сцинтилляторе, невозможно отличить от импульсов, обусловленных гамма-излучением, возникающим в реакциях захвата нейтрона.
В статье Ридера (Reeder) «Nuclear Instruments and Methods» в Physics Research A 340 (1994) 371, предложен детектор нейтронов, выполненный из оксиортосиликата гадолиния (GSO), окруженный пластиковыми сцинтилляторами, действующий как спектрометр полного гамма-поглощения совместно с GSO. Поскольку пластиковые сцинтилляторы отличаются большой длиной ослабления для энергичного гамма-излучения, предложенный спектрометр полного поглощения будет либо весьма неэффективным, либо будет требовать больших объемов пластикового сцинтиллятора. Дополнительный недостаток состоит в том, что существуют трудности при сборе света из пластикового материала с помощью разумного количества фотодетекторов. Кроме того, большие слои пластика не только замедляют, но и поглощают часть потока нейтронов, таким образом, снижая эффективность детектора нейтронов. Дополнительный недостаток состоит в невозможности устранения фона, обусловленного комптоновским рассеянием гамма-излучения от внешнего источника в детекторе нейтронов, сопровождаемого взаимодействием рассеянного гамма-излучения с гамма-детектором.
7
Другой детектор нейтронов, использующий гамма-лучевой сцинтиллятор, раскрыт Беллом (Bell) в US 6011266. Белл предлагает использовать гамма-лучевой сцинтиллятор, окруженный материалом, чувствительным к нейтронам, предпочтительно, содержащим бор. Реакция захвата нейтрона приводит к делению материала, чувствительного к нейтронам, с образованием альфа-частицы и иона Li, благодаря чему ион лития переходит из первого возбужденного состояния в основное состояние с испусканием одного гамма-кванта с энергией 478 кэВ, который затем детектируется сцинтилляционным детектором. В то же время, детектор, раскрытый в патенте Белла, чувствителен к гамма-лучам, обусловленным полем падающего излучения, поскольку материал, чувствительный к нейтронам, не действует как экран от гамма-излучения.
7
Одним из недостатков такого детектора является то, что единичный гамма-квант, выделяемый при возвращении из первого возбужденного состояния Li, находится в диапазоне энергий, где присутствует много других гамма-лучей. Поэтому необходимо очень точно измерять этот единичный акт возврата из возбужденного состояния для достижения по меньшей мере приемлемых результатов, что существенно увеличивает техническую сложность и соответствующие затраты. Кроме того, с помощью детектора, наподобие раскрытого Беллом, трудно, если вообще возможно, различить излучение заряженных частиц, например, космического происхождения.
3
В сущности, ни одна известная схема детектора нейтронов не может соревноваться с трубкой He, если одновременно рассматривать такие решающие параметры, как эффективность детектирования нейтронов в расчете на объем, эффективность детектирования нейтронов по стоимости, коэффициент подавления гамма-излучения, простота и надежность, а также доступность материалов детектора.
Таким образом, задачей изобретения является преодоление недостатков уровня техники и обеспечение эффективного детектора нейтронов, отличающегося простотой конструкции и высокой точностью детектирования нейтронов.
sum
Эта задача решается за счет устройства для детектирования нейтронного излучения, предпочтительно, тепловых нейтронов, содержащего по меньшей мере одну первую секцию с высокой способностью к поглощению нейтронов и по меньшей мере одну вторую секцию с низкой способностью к поглощению нейтронов, причем вторая секция содержит гамма-лучевой сцинтиллятор, материал гамма-лучевого сцинтиллятора содержит неорганический материал с длиной ослабления менее 10 см, предпочтительно, менее 5 см для гамма-лучей с энергией 5 МэВ для обеспечения высокой способностью торможения гамма-излучения для энергичного гамма-излучения во второй секции. Материал первой секции выбран из группы материалов, высвобождающих энергию, сообщаемую первой секции за счет захвата нейтрона, в основном, посредством гамма-излучения, и вторая секция окружает первую секцию таким образом, что существенный участок первой секции покрыт второй секцией. Устройство дополнительно содержит детектор света, оптически соединенный со второй секцией для детектирования количества света во второй секции, и оценивающее приспособление, соединенное с детектором света, причем это приспособление способно определять количество света, детектируемого детектором света для одного события сцинтилляции, причем это количество находится в известном соотношении с энергией, сообщаемой гамма-излучением второй секции. Оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда измеренная полная энергия гамма-кванта E выше 2,614 МэВ. Оценивающее приспособление также может быть выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, только когда измеренная полная энергия гамма-кванта ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.
4
2
2
2
2
Первая секция, предпочтительно, содержит кадмий (Cd), самарий (Sm), диспрозий (Dy), европий (Eu), гадолиний (Gd), иридий (Ir), индий (In) или ртуть (Hg), вторая секция, предпочтительно, содержит вольфрамат свинца (PWO), вольфрамат кальция (CaWO), германат висмута (BGO), иодид натрия (NaI), иодид цезия (CsI), фторид бария (BaF), фторид свинца (PbF), фторид церия (CeF), фторид кальция (CaF) или сцинцилляционные стекловидные материалы.
В дополнительном варианте осуществления, вторая секция окружает первую секцию таким образом, что более половины сферы (2π) покрыто второй секцией.
Особо предпочтительно, когда первая секция содержит нейтронный сцинтиллятор, предпочтительно выбранный таким образом, что он имеет достаточное сечение гамма-захвата, чтобы измерять энергии гамма-квантов вплоть до по меньшей мере 100 кэВ, предпочтительно, вплоть до по меньшей мере 500 кэВ, с достаточной эффективностью.
min
3
2
Также полезно, когда оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда по меньшей мере одно событие излучения гамма-кванта дополнительно измеряется нейтронным сцинтиллятором. Дополнительного усовершенствования можно добиться, когда измеренная энергия ни одного сигнала в первой секции не превышает заранее определенный порог. Этот порог определяется путем измерения толщины d (в см) сцинтиллятора в первой секции, затем определения энергии E (в МэВ), соответствующей энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние d в сцинтилляторе, и путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см). Затем порог устанавливается ниже энергии.
В еще одном варианте осуществления, детектор света смонтирован таким образом, что свет от гамма-лучевого и нейтронного сцинтиллятора распространяются к одному и тому же детектору света. Предпочтительно выбирать материалы для нейтронного и гамма-лучевого сцинтиллятора из группы так, чтобы излучаемый ими свет имел разные временные характеристики, например свет, излучался с разными временами затухания. Оценивающее приспособление можно сконструировать таким образом, чтобы оно было способно различать свет с разными характеристиками, излучаемый соответствующими сцинтилляторами, из единого сигнала детектора света, содержащего световые компоненты обоих сцинтилляторов. Материалы для нейтронного и гамма-лучевого сцинтиллятора также можно выбирать из группы так, чтобы они имели сходные длины волны излучения и сходные показатели преломления света. Кроме того, первая и вторая секция могут быть совместно размещены в одном детекторе, установлены на общем детекторе света, так что вторая секция делится первой секцией по меньшей мере на две части, причем только одна часть второй секции оптически соединена с детектором света.
Полезно, если материал первой секции содержит вольфрамат кадмия (CWO), и материал второй секции содержит вольфрамат свинца (PWO), или материал первой секции содержит материалы на основе оксиортосиликата гадолиния (GSO) и материал второй секции содержит сцинтилляторы на основе иодида натрия (NaI) или иодида цезия (CsI).
В еще одном варианте осуществления, вторая секция может содержать по меньшей мере три гамма-лучевых сцинтиллятора, причем каждый гамма-лучевой сцинтиллятор соединен с детектором света, что позволяет различать сигналы от разных гамма-сцинтилляторов. Согласно особому варианту осуществления, первая и вторая секция совместно размещены в одном детекторе, так что вторая секция делится первой секцией по меньшей мере на три части, причем все части оптически соединены с разными детекторами света, что позволяет по отдельности оценивать свет от частей. В идеале, оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда по меньшей мере два гамма-лучевых сцинтиллятора детектируют сигнал, обусловленный взаимодействием с гамма-излучением, после захвата нейтрона в первой секции.
Очевидно, что части второй секции, описанные в предыдущем абзаце, могут составлять несколько более или менее целостных частей единичного детектора или, альтернативно, могут содержать по меньшей мере три отдельных гамма-лучевых сцинтиллятора, сигналы которых совместно оцениваются вышеописанным образом.
Альтернативной является устройство, где первая и вторая секция совместно размещены в одном детекторе, установлены на общем детекторе света, так что вторая секция делится первой секцией на две части, причем обе части оптически соединены с детектором света. Также выгодно, когда вторая секция делится первой секцией на по меньшей мере три части, причем все части оптически соединены с детектором света.
Согласно другому варианту осуществления, первая секция смонтирована на внешней сфере второй секции.
min
3
2
Также может быть выгодно, когда устройство, согласно изобретению, содержит третью секцию, так что первая и вторая секция частично вместе окружены третьей секцией, причем третья секция содержит сцинтиллятор, свет, изучаемый сцинтиллятором, измеряется детектором света, причем выходные сигналы детектора света оцениваются общим оценивающим приспособлением устройства. В конкретном варианте осуществления, оценивающее приспособление выполнено с возможностью классифицировать детектируемое излучение как нейтроны, когда никакой сигнал с энергией, превышающей определенный порог экранирования, не детектируется из сцинтиллятора третьей секции в течение одного и того же временного интервала (кадра) (антисовпадение), причем порог экранирования определяется в несколько этапов. Сначала измеряется толщина t (в см) сцинтиллятора в третьей секции, затем энергия E (в МэВ), соответствующая энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в сцинтилляторе, определяется путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см), и, наконец, задается порог экранирования ниже энергии.
Можно оптически соединить третью секцию с детектором света второй секции и приспособить оценивающее приспособление для различения сигналов от второй и третьей секции по их свойствам сигнала. Это можно дополнительно усовершенствовать, разместив цветосдвигающий элемент между сцинтиллятором третьей секции и фотодетектором.
Материал, используемый для сцинтиллятора в третьей секции предпочтительно выбирать из группы материалов, содержащих составные части с низким атомным номером Z, служащие в качестве замедлителя нейтронов для быстрых нейтронов.
Изобретение также предусматривает способ детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, с использованием вышеописанного устройства, согласно изобретению, где, на первом этапе, нейтрон захватывается в первой секции, после чего измеряется свет, излучаемый из второй секции в результате потери энергии гамма-излучения, и определяется полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из второй секции устройства. Затем измеренное событие классифицируется как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ. Можно добавить верхний порог для классификации измеренного события как захвата нейтрона, где требуется, чтобы измеренная полная потеря энергии была ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.
При использовании детектора, согласно изобретению, вторая секция которого содержит по меньшей мере три гамма-лучевых сцинтиллятора, можно применять способ детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, содержащий этапы, на которых сначала захватывают нейтрон в первой секции, затем измеряют свет, излучаемый из второй секции в результате потери энергии гамма-излучения, после чего определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из второй секции устройства, и, наконец, классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ и когда, кроме того, потеря энергии измеряется по меньшей мере в двух гамма-сцинтилляторах.
В случае, когда устройство, согласно изобретению, использует нейтронный сцинтиллятор в своей первой секции, можно применять способ детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, содержащий этапы, на которых сначала захватывают нейтрон в первой секции, затем измеряют свет, излучаемый из первой секции в результате потери энергии гамма-излучения, в то же время измеряют свет, излучаемый из второй секции в результате потери энергии гамма-излучения, и определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из второй секции устройства, и классифицируют событие как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии во второй секции выше 2,614 МэВ и когда одновременно потеря энергии детектируется в первой секции. Этот способ можно усовершенствовать путем определения полной потери энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из первой и второй секций устройства.
Опять же, может быть полезно дополнительно потребовать, чтобы полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, была ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.
min
3
2
Еще одного усовершенствования можно добиться, потребовав, чтобы измеренная потеря энергии в первой секции была ниже заранее определенного порога. Этот порог определяется с применением этапов измерения толщины d (в см) сцинтиллятора в первой секции, определения энергии E (в МэВ), соответствующей энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние d в сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см), и, наконец, задания порога ниже энергии. Дополнительное различение нежелательных событий возможно, когда событие классифицируется как внешнее гамма-излучение и, следовательно, не как захват нейтрона, когда во второй секции наблюдается потеря энергии, но, в то же время, в первой секции не наблюдается потери энергии.
min
3
2
При использовании вышеописанной третьей, экранной, секции нейтроны, предпочтительно тепловые нейтроны, можно определять с применением этапов, опять же, захвата нейтрона в первой секции, измерения света, излучаемого из второй секции в результате потери энергии гамма-излучения, определения полной потери энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из второй секции устройства, и классификации события как захвата нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии выше 2,614 МэВ и когда никакой сигнал с энергией, превышающей определенный порог экранирования, не детектируется из сцинтиллятора третьей секции в течение одного и того же временного интервала (кадра) (антисовпадение). Порог экранирования определяется после этапов первоначального измерения толщины t (в см) сцинтиллятора в третьей секции, затем определения энергии E (в МэВ), соответствующей энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см), и, наконец, задания порога экранирования ниже энергии.
Эффективность такого способа можно повысить, когда полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, определяется из света, излучаемого из второй и третьей секций. Кроме того, событие можно классифицировать как захват нейтрона только когда полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ. С другой стороны, событие можно классифицировать как внешнее гамма-излучение и, следовательно, не как событие захвата нейтрона, когда наблюдается потеря энергии ниже порога экранирования в секции три, но не наблюдается потеря энергии во второй секции.
min
3
2
Также раскрыт способ детектирования нейтронов, предпочтительно, тепловых нейтронов, с использованием устройства, согласно изобретению, с окружающей третьей (экранной) секцией, причем первая секция содержит нейтронный сцинтиллятор, с применением этапов, на которых захватывают нейтрон в первой секции, измеряют свет, излучаемый из первой секции в результате потери энергии гамма-излучения, измеряют свет, излучаемый из второй секции в результате потери энергии гамма-излучения, и определяют полную потерю энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, из света, излучаемого из второй секции устройства. Согласно этому способу, событие классифицируется как захват нейтрона, когда измеренная полная потеря энергии во второй секции выше 2,614 МэВ, и когда одновременно потеря энергии детектируется в первой секции и когда никакой сигнал с энергией, превышающей определенный порог экранирования, не детектируется из сцинтиллятора третьей секции в течение одного и того же временного интервала (антисовпадение). Порог экранирования определяется согласно этапам первоначального измерения толщины t (в см) сцинтиллятора в третьей секции, затем определения энергии E (в МэВ), соответствующей энергетическому вкладу минимально ионизирующих частиц, покрывающих расстояние t в сцинтилляторе, путем умножения толщины на плотность материала сцинтиллятора, в г/см, и потерю энергии минимально ионизирующих частиц в сцинтилляторе, в МэВ/(г/см), и, наконец, задания порога экранирования ниже энергии.
Опять же, эффективность способа можно повысить, когда полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, определяется путем суммирования потерь энергии, детектируемых в первой и второй секциях, или путем суммирования потерь энергии, детектируемых во второй и третьей секциях, или даже путем суммирования потерь энергии, детектируемых в первой, второй и третьей секциях.
Различение относительно фонового излучения можно улучшить, потребовав, чтобы измеренная полная потеря энергии гамма-излучения, после захвата нейтрона, была ниже заранее определенного порога, предпочтительно, ниже 10 МэВ.
Другой способ отличить фоновое излучение состоит в классификации события как внешнего гамма-излучения, а не как события захвата нейтрона, когда потеря энергии детектируется в секции два или в секции три, но, в то же время, не детектируется потеря энергии выше порога экранирования в секции три и не детектируется потеря энергии в секции один. В этом контексте, под “отсутствием потери энергии” подразумевается потеря энергии ниже предела детектирования.
Некоторые конкретные варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на следующие фигуры.
Фиг.1 - вариант осуществления изобретения с цилиндрическим сцинтиллятором и слоем поглотителя нейтронов в середине этого сцинтиллятора, а также детектором света,
фиг.2 - аналогичная конструкция с двумя слоями захвата нейтрона,
фиг.3 - другой вариант осуществления со сцинтиллятором захвата нейтрона, где материал сцинтиллятора разделен на две части,
фиг.4 - детектор, согласно изобретению, с окружающим экранным детектором,
фиг.5 - аналогичный детектор, использующий один-единственный детектор света, и
фиг.6 - различные времена затухания сигналов, излучаемых из разных материалов сцинтиллятора.
На фиг.1 показан, в его нижней секции, продольный разрез через вариант осуществления. Здесь показаны детектор 100 и три его главные секции. Можно видеть материал 101 гамма-сцинтиллятора, который смонтирован на детекторе 103 света, предпочтительно, фотоумножительной трубке или матрице лавинных фотодиодов, работающих по принципу счетчика Гейгера (G-APD). Этот материал гамма-сцинтиллятора разделен, вдоль своей продольной оси, на две части, благодаря чему материал 102 захвата нейтронов располагается между двумя частями гамма-сцинтиллятора. Положение материала 102 захвата нейтронов отчетливо показано в поперечном разрезе через материал сцинтиллятора, изображенном в верхней части фиг.1.
Выбирается материал гамма-сцинтиллятора с небольшим сечением захвата нейтрона для тепловых (медленных) нейтронов, что позволяет большинству нейтронов проходить через материал сцинтиллятора, не испытывая захват нейтрона.
Секция 102 захвата нейтрона, расположенная в центре детектора, представляет собой лист материала с большим сечением захвата нейтрона, т.е. с высокой способностью к поглощению нейтронов. Эта секция 102, предпочтительно, более или менее прозрачна для гамма-лучей.
В отличие от того, что известно из уровня техники, материал захвата нейтронов первой секции 102 не является материалом, который, по существу, испытывает деление или испускание заряженных частиц в результате захвата нейтрона, но, в основном, высвобождает свою энергию возбуждения путем испускания гамма-луча. Подходящими материалами являются, например, материалы, содержащие гадолиний (Gd), кадмий (Cd), европий (Eu), самарий (Sm), диспрозий (Dy), иридий (Ir), ртуть (Hg) или индий (In). Поскольку каждый захват нейтрона сообщает ядру значительную величину энергии возбуждения, в основном примерно от 5 до 10 МэВ, в зависимости от захватывающего нуклида, это, грубо говоря, энергия, которая высвобождается в форме множественных гамма-квантов с энергиями в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Напротив, обычная реакция захвата нейтрона, используемая в традиционных детекторах, приводит к высвобождению энергии, в основном, за счет испускания продуктов деления и/или заряженных частиц. Эти процессы также часто сопровождаются гамма-излучением, которое, тем не менее, составляет лишь небольшую часть полной высвобождающейся энергии.
Устройство согласно изобретению использует захват нейтрона, сопровождающийся испусканием гамма-квантов с полной энергией в пределах от 5 до 10 МэВ. В результате, новая схема детектора с эффективным гамма-сцинтиллятором позволяет измерять существенную часть этих излучаемых гамма-квантов и, таким образом, достаточно хорошо отличать события, обусловленные захватом нейтрона, от фонового излучения, в частности, от гамма-излучения, сопряженного с большинством радиоактивных распадов.
sum
Заметим, что каскады гамма-квантов после захвата нейтрона излучаются очень быстро, из-за чего гамма-сцинтиллятор 101 не в состоянии различить отдельные события излучения гамма-квантов. Поэтому гамма-сцинтиллятор 101 как таковой суммирует все энергии гамма-квантов, вырабатывая количество света, которое, в основном, пропорционально полной энергии E, сообщаемой материалу сцинтиллятора. Таким образом, сцинтиллятор не может отличить единичный гамма-квант высокой энергии от множества гамма-квантов более низкой энергии, поглощенных в течение одного и того же временного интервала.
sum
sum
sum
Таким образом, гамма-сцинтиллятор 101 призван работать как своеобразный калориметр, суммируя всю энергию, сообщаемую после единичного события захвата нейтрона. Он сконструирован и устроен таким образом, чтобы максимизировать часть суммарной энергии E, которая в среднем поглощается в сцинтилляционном материале, после захвата нейтрона в поглотителе нейтронов, при минимальной стоимости и минимальном объеме детектора. С учетом того, что, в зависимости от конкретной используемой реакции, фактически поглощается лишь часть суммарной энергии E, в детекторе удобно задавать соответствующее окно, иными словами, интервал суммарной энергии. Только события с суммарной энергией E в пределах этого окна будут с достаточной определенностью идентифицироваться как захваты нейтрона.
sum
208
Оценивающее приспособление, здесь не показанное, оценивающее выходной сигнал детектора 103 света, настроено определять событие как захват нейтрона, когда суммарная энергия E превышает 2,614 МэВ. Принимая это условие в качестве нижнего порога, изобретение использует тот факт, что наивысшая энергия единичного гамма-кванта, возникающего в результате распада одного нуклида из природного радиоактивного ряда, в точности равна 2,614 МэВ, что соответствует гамма-распаду Tl, входящего в природный радиоактивный ряд тория.
Поскольку весьма маловероятно измерить два независимых гамма-луча из двух совпадающих источников, порог 2,614 МэВ достаточно хорош для проведения различия от природного или другого фонового излучения.
Нелишне отметить, что такой гамма-калориметр является эффективным детектором для гамма-лучей захвата нейтрона, порожденных также вне детектора. Это может повысить чувствительность устройства, согласно изобретению, для детектирования источников нейтронов. Дело в том, что все материалы, окружающие источник нейтронов, захватывают нейтроны в большей или меньшей степени, в конце концов, захватывая все нейтроны, порождаемые источником. Эти процессы, в основном, сопровождаются испусканием энергичных гамма-лучей, часто с энергиями гораздо больше 3 МэВ. Эти гамма-лучи могут вносить свой вклад в нейтронные сигналы детектора, согласно изобретению, если они сообщают секции два устройства достаточную часть своей энергии.
4
Чтобы гамма-сцинтиллятор работал в калориметрическом режиме, предпочтительно выбирать размер сцинтиллятора в зависимости от материала сцинтиллятора таким образом, чтобы существенную часть гамма-лучей, испускаемых после захвата нейтрона, можно было остановить в гамма-сцинтилляторе. Очень подходящим материалом является, например, вольфрамат свинца (PWO или PbWO), поскольку этот материал отличается значительной останавливающей способностью для гамма-энергий, представляющих интерес, включая наивысшие гамма-энергии. Низкий световой выход (в фотонах на МэВ) PWO приемлем в этом применении, поскольку здесь не требуется высокая спектрометрическая характеристика. Также имеет большое значение тот факт, что этот материал легко приобрести в больших количествах по низким ценам.
Для секции два рекомендуется использовать материалы PWO сцинтиллятора диаметром от 5 до 8 сантиметров. В конструкции, показанной на фиг.1 и фиг.2, такой детектор способен поглощать гамма-энергию более 3 МэВ в более 50% всех случаев, когда в материале захвата нейтронов (секции один) вырабатываются гамма-лучи с энергией выше 4 МэВ.
Первая (нейтронная) и вторая (гамма) секции детектора предпочтительно размещать таким образом, чтобы секция гамма-лучевого сцинтиллятора покрывала по меньшей мере половину сферы (2π) первой секции захвата нейтронов и, предпочтительно, более или менее полностью окружала первую секцию для обеспечения высокой эффективности детектирования этих гамма-лучей, испускаемых после захвата нейтрона в первой секции.
sum
Также можно рекомендовать установить дополнительный, верхний, порог суммарной энергии E, равный около 10 МэВ. Полная энергия, излучаемая после захвата нейтрона, обычно не превышает это значение. Тем не менее, могут возникать сигналы с сигнатурами энергии выше этого порога, после прохождения космического излучения, например мюонов, через гамма-сцинтиллятор, в особенности, когда детектор сравнительно велик. Эти события различаются и выбраковываются благодаря порогу. Фактически оба, нижний и верхний, пороги энергетического вклада в секции два следует оптимизировать таким образом, чтобы отношение эффекта к фону было оптимально для сценария, представляющего интерес.
В предпочтительном варианте осуществления, первая секция 102 детектора содержит материал нейтронного сцинтиллятора, предпочтительно прозрачный для фотонов сцинтиллятора.
Этот вариант осуществления может дополнительно опираться на тот факт, что нейтронный сцинтиллятор, как и любой сцинтиллятор, также в некоторой степени поглощает гамма-кванты, используя эту информацию для дальнейшей оценки. Для этого необходимо отличать свет, излучаемый после гамма-поглощения в нейтронном сцинтилляторе, от света, излучаемого после гамма-поглощения в гамма-лучевом сцинтилляторе. Это можно легко делать с помощью единичного фотодетектора, если выбирать сцинтилляционные материалы таким образом, чтобы время затухания света и/или частота излучаемого света в двух сцинтилляторах отличались друг от друга.
Пример соответствующих сигналов, отличающихся временем затухания, показан на фиг.6. Импульс 608 исходит, например, из гамма-лучевого сцинтиллятора, обеспечивая сцинтилляционный материал с коротким временем затухания. Когда время затухания света, излучаемого из нейтронного сцинтиллятора, гораздо больше, чем показано пунктирной линией 609 на фиг.6, эти сигналы легко различать либо посредством цифровой обработки сигнала, либо просто путем задания двух временных окон 618 и 619 на сигнальном выходе детектора света.
Можно оптически разделять нейтронный и гамма-лучевой сцинтиллятор для света сцинтилляции. Тем не менее, в некоторых применениях особенно предпочтительно, когда и длина волны излучения нейтронного сцинтиллятора, и показатель преломления нейтронного сцинтиллятора аналогичны соответствующим значениям гамма-сцинтиллятора. В случае выполнения этих условий, первая и вторая секции устройства, которые представляют собой нейтронный сцинтиллятор и гамма-сцинтиллятор, действуют оптически аналогично и могут быть объединены в один блок сцинтиллятора, что упрощает и делает более эффективным детектирование света в детекторе 103 света.
sum
n
Суммарная энергия E обычно измеряется в гамма-лучевом сцинтилляторе путем сбора и измерения света, вырабатываемого в гамма-лучевом сцинтилляторе, с использованием детектора 103 света, и оценивания измеренного сигнала от детектора света. Энергия, выделяемая гамма-лучами в нейтронном сцинтилляторе, E, измеряется отдельно и дополнительно. Если нейтронный сцинтиллятор достаточно эффективен для поглощения части гамма-энергии, высвобождаемой при захвате нейтрона, это позволяет улучшить идентификацию нейтронного излучения и подавление фона за счет предъявления более строгих условий к детектируемому нейтрону.
sum
Первый критерий детектирования нейтронов, в общем случае, состоит в том, что суммарная энергия E превышает 2,614 МэВ.
Вторым критерием является сигнал, детектируемый в нейтронном сцинтилляторе. Причина в том, что большинство событий захвата нейтрона в детекторе, согласно изобретению, сопровождаются гамма-каскадами, т.е. излучением множественных гамма-лучей, в том числе низкоэнергичных гамма-лучей с энергией ниже 500 кэВ или даже ниже 100 кэВ, которые взаимодействуют с высокой вероятностью в сцинтилляторах толщиной в несколько миллиметров. Поэтому сигнал в нейтронном сцинтилляторе является хорошим индикатором события захвата нейтрона. Заметим, что такой дополнительный критерий не оказывает значительного влияния на эффективность детекторной системы для событий захвата нейтрона, поскольку захват нейтрона происходит в нейтронном сцинтилляторе, который сам является источником гамма-излучения. Это включает в себя гамма-излучение низкой энергии, для которой нейтронный сцинтиллятор имеет высокую останавливающую способность. Поэтому существует высокая вероятность того, что нейтронный сцинтиллятор обнаружит по меньшей мере одно событие гамма-излучения после захвата нейтрона в первой секции.
n
2
Третьим полезным критерием может быть верхний предел энергии гамма-кванта E, сообщаемой нейтронному сцинтиллятору, для подавления фона, обусловленного проникновением космического излучения. В сцинтилляторах толщиной несколько миллиметров вероятность сообщения гамма-энергии более 1-2 МэВ вследствие захвата нейтрона довольно мала. С другой стороны, проникающие космические частицы могут сообщать такому сцинтиллятору значительную величину кинетической энергии. Минимальный энергетический вклад проникающих заряженных частиц (в МэВ) определяется толщиной детектора (в сантиметрах), умноженной на плотность сцинтиллятора (в граммах на кубический сантиметр) и потерю энергии так называемых минимально ионизирующих частиц (МИЧ) в соответствующем материале сцинтиллятора (в МэВ на грамм на квадратный сантиметр). Последняя величина превышает 1 МэВ/(г/см) для всех обычных материалов, что позволяет легко оценивать верхний предел. Использование, например, сцинтиллятора на основе вольфрамата кадмия (CWO) толщиной 0,5 см в качестве нейтронного сцинтиллятора не приводит к нижнему пределу около 0,5×7,8×1 МэВ или около 3,9 МэВ для энергетического вклада заряженных частиц, пересекающих нейтронный сцинтиллятор. Это значение следует использовать в качестве верхнего предела для сигнала захвата нейтрона в нейтронном сцинтилляторе; более сильные сигналы предположительно обусловлены энергичным (космическим) фоном и должны быть отброшены.
Нелишне отметить, что, когда второй критерий используется для идентификации событий захвата нейтрона, отсутствие сигнала в секции один одновременно с получением сигнала от секции два можно рассматривать как сигнатуру для детектирования внешнего гамма-луча в секции два, таким образом, параллельно используя детектор, согласно изобретению, как детектор (или спектрометр) для внешних гамма-лучей.
sum
Эффективность детекторной системы можно повысить, рассматривая сцинтиллятор в целом, который является комбинацией первой (нейтронной) и второй (гамма) секций в качестве единичного гамма-сцинтиллятора, таким образом, суммируя энергию, сообщаемую в гамма-лучевом сцинтилляторе, и энергию, сообщаемую в нейтронном сцинтилляторе, и используя это объединенное значение как суммарную энергию E.
Другой вариант осуществления 200 показан на фиг.2. Здесь гамма-лучевой сцинтиллятор 201 делится на четыре части, разделенные детектором 202 нейтронов. Опять же, сцинтиллятор установлен на детекторе 203 света.
При использовании материала нейтронного сцинтиллятора в качестве детектора нейтронов, в особенности, когда этот материал сцинтиллятора имеет показатель преломления, аналогичный показателю преломления материала гамма-сцинтиллятора, возможны дополнительные варианты осуществления.
Пример, показанный на фиг.3, где материал гамма-сцинтиллятора 301 делится на две секции, перпендикулярные продольной оси, нейтронным сцинтиллятором 312.
Поскольку весь материал сцинтиллятора имеет, по существу, одинаковый коэффициент отражения, свет, обусловленный гамма-захватом в верхней части второй секции, способен проходить через материал нейтронного сцинтиллятора 312 в центральной части детектора 300 без больших потерь, и поэтому все еще может детектироваться детектором 303 света.
Еще один вариант осуществления изобретения показан на фиг.4. В центре можно видеть устройство, описанное в первом варианте осуществления, состоящее из первой секции 402, захватывающей нейтроны, второй секции 401 гамма-лучевого сцинтиллятора и детектора 403 света. Этот детектор, в необязательном порядке, может быть инкапсулирован материалом 406. Участок сцинтиллятора детектора целиком окружен третьей секцией 400, также содержащей материал 404 сцинтиллятора. Свет, генерируемый в этом материале сцинтиллятора, детектируется дополнительным детектором 405 света.
Этот внешний детектор 400 предпочтительно служит в качестве экрана антисовпадения от фонового излучения, например космического излучения. Когда третья секция 400 использует материал сцинтиллятора с довольно низкими атомными номерами, она также может одновременно выступать в качестве замедлителя для быстрых нейтронов, что позволяет устройству детектировать также быстрые нейтроны. В этом контексте также нужно отметить, что инкапсулирующий материал 406 детектора можно выбирать таким образом, чтобы этот материал служил в качестве замедлителя нейтронов, тогда как такой выбор материала не ограничивается вариантом осуществления с окружающей третьей секцией 400, но также может использоваться совместно с другими вариантами осуществления.
В предпочтительном варианте осуществления, внешний материал 404 сцинтиллятора третьей секции содержит пластический материал сцинтиллятора. Такой материал легкодоступен и прост в обработке.
2
2
Минимальный энергетический вклад проникающих заряженных частиц в сцинтилляторе секции три (в МэВ) определяется толщиной сцинтиллятора (в сантиметрах), умноженной на плотность сцинтиллятора (в граммах на кубический сантиметр) и потерю энергии минимально ионизирующих частиц (МИЧ) в соответствующем материале сцинтиллятора (в МэВ на грамм на квадратный сантиметр). Последняя величина превышает 1 МэВ/(г/см) для всех обычных материалов и превышает 1,5 МэВ/(г/см) для всех легких материалов, что позволяет легко оценивать верхний предел. Например, использование пластикового (PVT) сцинтиллятора толщиной 2 см в третьей (экранной) секции, например, даст нижний предел около 2×1×1,5 МэВ или около 3 МэВ для сигнала, обусловленного проникающими заряженными частицами в экранной секции. Эти сигналы будут отброшены как фон. В этом случае, условие антисовпадения для внешней третьей секции может состоять в том, что в третьей секции не детектируется энергия более 3 МэВ.
sum
sum
В результате, энергия, детектируемая во внешней третьей секции устройства менее 3 МэВ в конкретном примере, скорее всего, не исходит от энергичного космического излучения вследствие чего такое низкоэнергичное событие, если оно детектируется совместно с гамма-лучами во второй секции, может добавляться к суммарной энергии E, поскольку оно может быть обусловлено захватом нейтрона в первой секции. Если же этот сигнал, фактически обусловлен внешним гамма-излучением, условие суммарной энергии (E>2614 кэВ) предписывает отбрасывать соответствующее событие.
Нелишне отметить, что, когда в третьей секции наблюдается энергетический вклад, который меньше, чем минимальный энергетический вклад проникающих заряженных частиц, тогда как в то же время в секции один или два сигнал не наблюдается, это можно рассматривать как сигнатуру для детектирования внешнего гамма-луча в секции три, таким образом, параллельно используя экранный сцинтиллятор как детектор (или спектрометр) для (внешних) гамма-лучей.
Аналогичным образом, энергетический вклад в третьей секции меньше минимального энергетического вклада проникающих заряженных частиц, сопровождаемого сигналом в секции два, в то время как в секции один сигнал не наблюдается, можно рассматривать как сигнатуру для детектирования внешнего гамма-излучения, которое сообщает энергию обеим секциям два и три в силу комптоновского рассеяния, сопровождаемого вторым актом рассеяния или фотопоглощения. Поэтому комбинация секций два и три может действовать как детектор (или спектрометр) для внешних гамма-лучей, тогда как нейтронный сцинтиллятор секции один позволяет отличать события захвата нейтрона.
Дополнительное усовершенствование варианта экранного детектора показано на фиг.5. Опять же, гамма-лучевой сцинтиллятор 501 и детектор 502 поглощения нейтронов установлены на детекторе 503 света. Гамма-лучевой сцинтиллятор снова может быть окружен той или иной инкапсуляцией 506.
В отличие от других вариантов осуществления, светочувствительная поверхность детектора 503 света проходит по диаметру, покрытому детектором гамма-лучей 501. Эта внешняя периферия детектора 503 света оптически соединена с круглой третьей секцией, предпочтительно, опять же, пластиковым сцинтиллятором 504, окружающим первую и вторую секции детектора.
Чтобы правильно отличить сигнал, исходящий из гамма-лучевого сцинтиллятора 501, от сигналов, исходящих из пластикового сцинтиллятора 504, можно добавлять цветосдвигающий элемент 507. Такой цветосдвигающий элемент, предпочтительно, поглощает свет от пластикового материала сцинтиллятора 504, излучающего свет с длиной волны, аналогичной длине волны, излучаемой из гамма-лучевого сцинтиллятора 501, что позволяет правильно измерять его с помощью одного и того же детектора 503 света. Чтобы отличать сигналы от пластикового сцинтиллятора 504 от сигналов гамма-лучевого сцинтиллятора 501, полезно если свет, излучаемый из цветосдвигающего элемента 507, будет иметь другое время затухания, таким образом, позволяя оценивающему приспособлению отчетливо различать два вышеописанных источника сигнала.
Не существенно, что секция два содержит единичный материал гамма-сцинтиллятора, размещенный в единичном детекторном блоке, считываемом общим фотодетектором. В другом варианте осуществления гамма-калориметр состоит из множественных отдельных детекторов, которые могут быть основаны на разных материалах сцинтиллятора и считываться отдельными фотодетекторами. Этот вариант осуществления имеет преимущество, если детекторы, первоначально предназначенные для другой цели, например, детектирования и спектроскопии внешнего гамма-излучения, можно применять в калориметре для снижения полной стоимости.
Еще один признак изобретения состоит в возможности использовать высокую множественность гамма-лучей, испускаемых после захвата нейтрона в первой секции захвата нейтрона. Если вторая секция, гамма-лучевой сцинтиллятор, устроена таким образом, что содержит три или более детекторов, можно также оценивать множественность.
sum
Конструкция, показанная на фиг.2, позволяет делить вторую секцию на четыре разные части, поскольку гамма-лучевой сцинтиллятор делится на четыре части. Если детектор света разделен таким образом, что свет четырех гамма-лучевых сцинтилляторов можно различать, например, с использованием многоанодных фотоумножительных трубок (не показанных на фиг.2), его также можно оценивать по отдельности. Поэтому, помимо измерения суммарной энергии E, можно также потребовать определенной множественности измеренных событий излучения гамма-квантов.
sum
С учетом ограниченной эффективности детекторов, признано преимущественным, чтобы по меньшей мере две части второй секции, т.е. две разные части гамма-лучевого сцинтиллятора, показанного на фиг.2, детектировали гамма-события. В особенности, помимо условия превышения суммарной энергией E величины 2,614 МэВ, это условие множественности дополнительно повышает точность детектора, согласно изобретению.
3
В итоге, заявленное изобретение предусматривает недорогой детектор простой конструкции, в основе которой лежат общеизвестные, недорогие, готовые к использованию материалы сцинтиллятора, и общеизвестные, недорогие, готовые к использованию фотодетекторы, и способ оценивания излучаемых сигналов с эффективностью и точностью, сравнимыми с традиционными счетчиками на основе He.