СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ
METHOD FOR SEPARATION OF SIGNALS OF FAST NEUTRONS AND GAMMA PHOTONS

Изобретение относится к области обнаружения радиоактивных материалов и источников с помощью радиационных детекторов с пластмассовым сцинтиллятором.
Известен способ измерения мощности дозы в тканеэквивалентном материале при гамма-нейтронном облучении, заключающийся в том, что на электроды ионизационной камеры, в которой межэлектродный промежуток заполнен водородсодержащим диэлектриком, подают электрическое напряжение питания и измеряют временную зависимость сигнала с двумя максимумами, по которому судят о мощности дозы, поглощенной в тканеэквивалентном материале. Одновременно измеряют временную зависимость сигнала детектора быстрых нейтронов, выделяют составляющие сигналы, максимум первого из которых опережает, а максимум второго совпадает с максимумом импульса излучения, по значению первого составляющего сигнала на переднем фронте в интервале времени, в котором временная зависимость первого составляющего сигнала пропорциональна временной зависимости сигнала детектора, и второго составляющего сигнала твердотельной ионизационной камеры определяют мощности дозы нейтронов и гамма-излучения, по которым судят о мощности дозы при гамма-нейтронном облучении. Разделение сигналов осуществляют экстраполяцией переднего фронта второго составляющего сигнала твердотельной ионизационной камеры функцией, пропорциональной сигналу детектора нейтронов. Патент Российской Федерации №2040016, МПК: G01T 3/00, 1995.
Известны предложения разделения сцинтилляционных сигналов, вызываемых в пластмассовом сцинтилляторе быстрыми нейтронами и гамма квантами и регистрируемыми с помощью фотоумножителя: на основе создания и использование быстрого сцинтиллятора; на использовании более быстрого фотоэлектронного умножителя (ФЭУ); на использовании системы из двух пластин сцинтиллятора малой плотности. A.J.Peurrung R.R.Hansen, P.L.Reeder D., C.Stromswold «Direct Fast-Neutron Detection», A Progress Report, October 1998, Prepared for the US Department of Energy under Contract DE-AC06-76RLO 1830 PNNL-11994.
Недостатком указанных подходов является применение дорогостоящих ФЭУ, низкая эффективность регистрации, увеличенные габариты в связи с наличием между пластинами зазора, зависимость эффективности от взаимного расположения источника и пластин пластмассового сцинтиллятора, различные требования к толщинам пластин в зависимости от того, в какой из пластин происходит первичное или вторичное рассеяние. Оптимальные толщины для источника быстрых нейтронов спектра деления составляют 3 см для пластины, в которой происходит первичное рассеяние и не менее 5-8 см для второй пластины.
Известен способ обнаружения источника проникающих излучений, основанный на использовании блока годоскопа из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сцинтиллирующие оптические элементы блока годоскопа выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·а - по ширине и длиной m·а, где а - ширина стержня, b - высота стержня, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, при этом, по крайней мере, одна из граней блока годоскопа последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов, а каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучения, разделяют потоки излучений, поступающих извне и родившиеся внутри блока годоскопа, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны блока годоскопа к другой, по калибровочным значениям отношения световых сигналов от тепловых и быстрых нейтронов идентифицируют источник быстрых нейтронов, а по градиенту светового сигнала определяют направление на источник. Патент Российской Федерации №2308740, МПК: G01T 3/06, 2006. Прототип.
Недостатком прототипа является сравнительно высокая чувствительность к фоновому гамма излучению, связанная с использованием пластмассового сцинтиллятора, низкая чувствительность обнаружения источника тепловых нейтронов в связи со сравнительно малым количеством используемых для их регистрации пластин, ошибки при идентификации источника быстрых нейтронов в присутствии гамма излучения, сравнительно низкая чувствительность обнаружения источника быстрых нейтронов в связи с малым сечением рождения протонов отдачи и малой их средней энергией, ошибки при идентификации источника быстрых нейтронов в присутствии гамма излучения.
Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является раздельная регистрация быстрых нейтронов и гамма квантов, повышение чувствительности обнаружения источника быстрых нейтронов за счет учета вклада естественного гамма фона, идентификация источника быстрых нейтронов в присутствии гамма излучения, выявление закамуфлированных в замедляющих средах делящихся материалов и изделий из них, определение направления на источник.
Технический результат достигается тем, что способ разделения сигналов быстрых нейтронов и гамма квантов, основанный на использовании блока годоскопа из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сцинтиллирующие оптические элементы блока годоскопа выполнены в виде стержней с сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k-b - по высоте, n·а - по ширине и длиной m·а, где а - ширина стержня, b - высота стержня, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, отличающийся тем, что стержни блока годоскопа выполнены однотипными, поперечные размеры стержней выбраны из вероятности повторного рассеяния быстрого нейтрона в одном и том же стержне, фиксируют сцинтилляционные сигналы, вызванные протонами отдачи, возникшими в первых двух - трех столкновениях с ядрами водорода, регистрируют стержень, с которого поступил сигнал, время поступления сигнала и его амплитуду, по которым разделяют сигналы от быстрых нейтронов и гамма квантов, а по положению максимума пространственного распределения нейтронных сигналов относительно центра сборки идентифицируют источник быстрых нейтронов и определяют направление на него, а направление на источник определяют по направлению быстрейшего роста сигнала быстрых нейтронов, как вектор между центром годоскопа и центром тяжести трехмерного пространственного распределения сцинтилляционных сигналов.
Форма поперечного размера «а» может быть и треугольной и шестигранной, а стержни скомпонованы в пакет с плотной упаковкой или с зазорами.
Для идентификации источника быстрых нейтронов используют эталонные для различных источников быстрых нейтронов пространственные распределения сигнала быстрых нейтронов,
Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-4.
На фиг.1 представлен стержень, где: 1 - сцинтиллирующие пластмассовые стержни, 2 - спектросмещающие волокна (фотодиоды не обозначены позицией).
Спектросмещающие волокна 2 служат для сбора света от люминесцентных вспышек, возникающих в пластмассовом сцинтилляторе и выведения света на фотодиоды, которые расположены на концах волокон 2.
В случае удаленных фотоприемников спектросмещающие волокна 2 стыкуют со светопроводящим волокном во избежание больших потерь света. Снаружи стержни покрыты светонепроницаемым материалом для предотвращения попадания в них внешнего света.
На фиг.2 схематично представлен блок годоскопа, где: 1 - оптические стержни, уложенные рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, выполненные из сцинтиллирующей пластмассы, например полистирола или поливинилтолуола, и 2 - спектросмещающие волокна.
На фиг.3 представлена структурная схема регистрации, где пакет оптических стержней 1, спектросмещающие волокна 2 с фотодиодами и схемой совпадений 3 представляют собой блок годоскопа 4, 5 - контроллер, 6 - компьютер.
235
На фиг.4 представлено пространственное распределение сигнала, полученное со стержней 1 годоскопа 4 для источника спектра деления U (средняя энергия около 2 МэВ), Pu-Ве источника (средняя энергия 5,4 МэВ) и тепловых нейтронов (средняя энергия 0,025 эВ), падающих на боковую поверхность годоскопа 4. Пространственное распределение сигнала зависит от спектра нейтронного излучения. В случае быстрых нейтронов максимум распределения тем дальше от облучаемой грани, чем выше средняя энергия. Оптические стержни 1 выполнены из водородосодержащего вещества и служат замедлителем быстрых нейтронов. Свет от окружающего оптический стержень 1 собирают с помощью спектросмещающего волокна 2.
Раздельная регистрация быстрых нейтронов и гамма квантов оптическим стержнем 1 основана на многократности актов рассеяния быстрого нейтрона и гамма кванта и временном анализе последовательности вызываемых ими сигналов.
Существенно, что гамма кванты проходят в пластмассе за 1 нс расстояние около 20 см, в то время как нейтрон с энергией 2 МэВ за это же время проходит всего около 2 см. Поэтому многократное рассеяние быстрого нейтрона происходит в одном или соседних элементах и, как показывают расчеты, для нейтронов спектра деления среднее временя между столкновениями составляет около 2 нс. В то время как многократное рассеяние гамма кванта в одном или соседних элементах практически происходит в пределах наносекунды, а в достаточно удаленных друг от друга детекторах время t между двумя последовательными сигналами связано с расстоянием между детекторами приблизительной формулой t≈20/L (нс), где L - расстояние между детекторами в сантиметрах.
Таким образом, последовательность событий, возникающих в соседних оптических стержнях 1 в течение нескольких наносекунд, с высокой степенью вероятности связана с регистрацией быстрого нейтрона, а последовательность событий, возникающих в соседних или удаленных оптических стержнях 1 годоскопа 4 с характерным размером около 20 см в пределах наносекунды связана с регистрацией гамма кванта.
Сущность изобретения состоит в фиксации времени прихода сигнала из оптического стержня 1, с которого он поступает, в процессе измерения проводят анализ различных последовательностей сигналов, к регистрации одного нейтрона приписывается последовательность событий, возникших в одном или соседних оптических стержней 1 при среднем времени между сигналами около 2 нс, а к регистрации гамма кванта приписывается последовательность событий, возникших в одном или соседних детекторах в интервале времени менее 1 нс или в удаленных детекторах в большем интервале времен, определяемом размерами годоскопа 4 с учетом скорости света в стержне 1. При этом расстояние между стержнями 1 в сантиметрах, с которых пришли последовательно два сигнала, определяется приблизительной формулой L=20t, где t - время между двумя последовательными сигналами.
Поперечные размеры стержня а или b составляют от одного до нескольких сантиметров и выбраны из условия, чтобы вероятность повторного рассеяния быстрого нейтрона на водороде и гамма кванта на водороде и углероде в одном стержне была достаточно мала.
Количество оптических стержней 1 в годоскопе 4 определяется поперечным сечением отдельного стержня 1 и габаритными размерами годоскопа 4, которые в случае источника быстрых нейтронов спектра деления составляют 10-15 см.
Амплитудное распределение сцинтилляционных сигналов, вызываемых быстрыми нейтронами и гамма квантами, отражают их спектры. Измерение амплитуды сигнала используют как средство повышения достоверности разделения сигналов и идентификации источника.
Отнесение сигнала к нейтронному или гамма кванту происходит непрерывно на основании совместного анализа серии сигналов с учетом:
оптических стержней 1, с которых поступила данная серия сигналов;
временных интервалов между этими сигналами; амплитудных соотношений между этими сигналами.
Тип источника быстрых нейтронов (средняя энергия) определяют по расстоянию между центром годоскопа 4 или его гранью и положением максимума трехмерного пространственного распределения сцинтилляционных сигналов.
Форма пространственного распределения для известных источников быстрых нейтронов определена и теоретически, и экспериментально.
Анализ формы позволяет установить факт экранировки источника быстрых нейтронов замедляющим экраном. Для идентификации источника быстрых нейтронов используют заранее измеренные для различных источников быстрых нейтронов пространственные распределения сигнала быстрых нейтронов.
Разделение сигналов от быстрых нейтронов и гамма квантов позволяет учитывать естественный радиоактивный фон, обусловленный в пластмассовом сцинтилляторе (стержне 1) в основном за счет гамма излучений радионуклидов, содержащихся в почве и земной коре, обеспечивая таким образом повышение чувствительности обнаружения источника быстрых нейтронов.
Два электрических сигнала с отдельного стержня 1 годоскопа 4, вызванных сцинтилляционной вспышкой, поступают на схему совпадений 3. Схема совпадений 3 включает в себя двухканальный усилитель, два резистивных делителя напряжения для подбора напряжения питания в диапазоне 50-60 вольт независимо для каждого из двух фотоприемников и временные ворота. Использование временных ворот позволяет уменьшить количества ложных событий, обусловленных фоновым сигналом с фотоприемника. При временном окне 10-20 нс количество ложных событий может быть уменьшено до одного за 1000 с.
Сигналы со схемы совпадений 3 поступают на вход контроллера 5. Контроллер 5 опрашивает выходные регистры схемы совпадений 3, осуществляет первичную обработку полученной информации и передает ее в компьютер 6, в котором производится анализ информации. При использовании стержней 1 на основе сцинтиллирующей пластмассы в смешанных полях излучений возникает задача разделения сигналов, вызываемых гамма квантами и быстрыми нейтронами. В случае использования годоскопа 4 ее решение основано на: многократности актов рассеяния быстрого нейтрона и гамма кванта и временном анализе последовательности сигналов. Существенно, что гамма кванты проходят в пластмассе за 1 нс расстояние около 20 см, в то время как нейтрон с энергией 2 МэВ за это же время проходит всего около 2 см. Анализ распределения времени и расстояния между последовательными актами рассеяния показал, что среднее время между взаимодействиями быстрого нейтрона спектра деления с водородом составляет, примерно, 2,7 нс. Среднее время между последовательными актами рассеяния гамма кванта с начальной энергией 1,46 МэВ составляет около 0,1 нс. Расстояние между последовательными актами рассеяния спадает приблизительно по экспоненте.
Среднее расстояние составляет соответственно 3,5 см для нейтронов и 4,5 см для гамма квантов. Таким образом, последовательность событий, возникающих с соседних оптических стержней 1 в течение нескольких наносекунд, связана с регистрацией быстрого нейтрона. Соответственно, последовательность событий, возникающих в соседних оптических стержнях 1 в течение десятых долей наносекунды, связана с регистрацией гамма кванта. Высокая надежность такого подхода обусловлена малой вероятностью случайных совпадений сигналов во временном интервале в течение нескольких наносекунд в обычных условиях регистрации. В таблицах 1 и 2 представлены результаты расчета: доли множественных событий, т.е. событий с рождением более одного протона отдачи или электрона; среднего числа рождаемых при этом частиц, каждая из которых выделяют в сцинтилляторе энергию, превышающую пороговое значение; эффективности выделения сигналов для быстрых нейтронов спектра деления и гамма квантов, эффективности регистрации быстрых нейтронов спектра деления и гамма квантов.
Из таблиц следует, что при условии, что каждая из последовательно рождаемых частиц выделяет в сцинтилляторе энергию более 100 кэВ, эффективность регистрации быстрого нейтрона достигает 56%, а гамма кванта 69%.
Таблица 1
Эффективность регистрации быстрых нейтронов спектра деления при использовании множественности событий.
Порог, МэВ
Эффективность регистрации нейтрона спектра деления без разделения
Эффективность регистрации нейтрона спектра деления с разделением (доля многократного)
Эффективность разделения (доля событий с более чем одним протоном отдачи выше порога регистрации)
Среднее число протонов отдачи с энергией выше порога
0
90%
73%
82%
2.66
0,1
80%
56%
70%
1.95
0,5
50%
22%
44%
0.81
1
29%
9%
31%
0.4
Таблица 2
Эффективность регистрации гамма квантов с энергией 1,46 МэВ при использовании множественности событий.
Порог, МэВ
Эффективность регистрации фотона без разделения
Эффективность регистрации фотона с разделением
Эффективность разделения сигналов по множественности событий (доля событий с рождением более чем одного электрона)
Среднее число электронов с энергией выше порога
0
92%
79%
86%
2.24
0,1
87%
69%
79%
1.75
0,5
65%
24%
44%
1.20
1
38%
0%
0%
0.38