КОЛЛИМАТОР

Полезная модель к области нейтронной физики, неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов.
Известно устройство для измерения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей, содержащее наружный кадмиевый экран.
Устройство содержит съемные поглотители нейтронов и кольцевой кадмиевый коллиматор-держатель съемных поглотителей. Внутри коллиматора-держателя между каждой парой окон установлен съемный поглотитель, а коллимирующие окна и наружный кадмиевый экран образуют формирователи коллимированных направленных пучков тепловых нейтронов.
В устройстве в качестве съемных поглотителей использованы таблетки из бора, размещаемые в кадмиевом коллиматоре-держателе посередине между окнами имеющие одинаковую поглощающую способность тепловых нейтронов. Патент Российской Федерации №1752079, МПК: G01T 3/00, 1995.
Известен двухслойный коллиматор, выполненный из водородосодержащего замедлителя нейтронов (полиэтилен) - внешний слой коллиматора и кадмиевого поглотителя тепловых нейтронов - внутренний слой коллиматора. Патент Российской Федерации №2158011, МПК: G01T 1/20, G01T 3/06, 2000.
Известно рентгеновское устройство, содержащее источник излучения, средство для размещения образца, коллиматор, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченного конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы. Патент Российской Федерации №2239822, МПК: G01N 23/04, 2004. Прототип.
Известные устройства обеспечивают высокий уровень радиационной безопасности, но при этом характеризуются сложностью конструкции.
Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения.
Задачей полезной модели является повышение коэффициента преобразования быстрых нейтронов в тепловые и повышение плотности потока тепловых нейтронов в месте расположения исследуемых объектов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение коэффициента преобразования первичных нейтронов, повышение плотности потока тепловых нейтронов на облучаемых образцах до максимально возможной.
Технический результат достигается тем, что в коллиматоре, выполненном в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, меньшее основание примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты из борированного полиэтилена для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора, примыкающий к конвертеру-отражателю блока-замедлителя в месте расположения выходного канала, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки из гадолиния и кадмия, толщиной 0,2 и 0,6 мм соответственно, а слой полиэтилена с образованием полости, набран из отдельных элементов для изменения размеров ее от 5×5×5 см до 10×10×10 см.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-7.
На фиг.1 схематично представлен разрез устройства в горизонтальной плоскости, где: 1 - источник быстрых нейтронов (изотопный источник или нейтронный генератор), 2 - блок-замедлитель быстрых нейтронов из полиэтилена в виде куба размером 20×20×20 см, 3 - полость блока-замедлителя 2 с размерами от 5×5×5 см до 10×10×10 см, 4 - конвертер из вольфрама площадью 15×15 см и
толщиной 2 см, 5 - конвертер-отражатель из свинца толщиной 20 см, 6 - слой защиты коллиматора из висмута толщиной 10 см от гамма-излучения, 7 - слой защиты коллиматора из борированного полиэтилена толщиной 16 см. для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, 8 - дополнительная защита коллиматора из свинца толщиной 20 см, 9 - слой защиты коллиматора из борированного полиэтилена размером 1,5×1,5×0,5 м, 10 - слой защиты коллиматора из висмута размером 120×80×25 см, 11 - коллиматор для тепловых нейтронов выполнен в виде канала в форме усеченной пирамиды, верхнее основание которой (размером 12×12 см) примыкает непосредственно к выходному каналу 3 блока-замедлителя 2. Нижнее основание имеет размеры (30×40 см).
Внутренняя часть коллиматора покрыта слоем гадолиния. Длина коллиматора 11, включая длину полости 3 в блоке - замедлителе 2, составляет 1,5 м. Между слоями 8, 9, 10 дополнительной защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния толщиной 0,2 мм и кадмия толщиной 0,6 мм. Внешняя поверхность защиты также покрыта слоями гадолиния и кадмия.
т
т
На фиг.2 приведено экспериментальное распределение плотности потока тепловых нейтронов f для сплошного блока-замедлителя 2 размером 30×30×30 см и 50×50×50 см вдоль оси, совпадающей с осью блока-замедлителя 2, и результаты теоретического расчета, где: 1 - размер 30×30×30 см, 2 - размер 50×50×50 см, 3 - расчет для замедлителя 30×30×30 см. Как видно из приведенных зависимостей максимум f находится в районе 4 см от источника первичных нейтронов и незначительно увеличивается с увеличением размера блока-замедлителя 2. Расчетные данные удовлетворительно совпадают с экспериментальными результатами.
т
На фиг.3 приведено распределение плотности потока тепловых нейтронов f вдоль оси блока-замедлителя 2 размером 20×20×20 см при различных толщинах конвертера 4 из вольфрама (толщины: 1-0.5 см; 2 - 1 см; 3-2 см; 4-3 см; 5-4 см).
Оптимальным является вольфрамовый конвертер 4 размером 15×15×2 см. Применение конвертера 4 повышает долю тепловых нейтронов.
Cd
сd
На фиг.4 представлена зависимость величины кадмиевого отношения R в замедлителе из полиэтилена размером 20×20×20 см и свинцового конвертера-отражателя 5 толщиной 10 см от расстояния до мишени. При расстоянии от мишени в диапазоне от 2,5 см до 20 см величина кадмиевого отношения R изменялось от 25 до 55 без конвертера-отражателя 5 и от 25 до 80 с конвертером-отражателем 5.
т
Cd
В области максимума распределения плотности потока тепловых нейтронов f величина кадмиевого отношения R составляет 60-70.
т
т
т
На Фиг.5 приведено распределение f в внутри замедлителя без канала вывода (кривая 1) и на дне канала вывода (кривая 2). Как видно из приведенных данных, распределение f в канале практически равномерно. Зависимость распределения плотности потока тепловых нейтронов f в замедлителе с вольфрамовым конвертером (2 см): кривая 1 - без канала вывода; кривая 2 - с каналом вывода.
На фиг.6 представлены расчетный спектры нейтронов на выходе коллиматора (в центре, кривая 1) и на торцевой поверхности защиты (на расстоянии 20 см от его оси, кривая 2).
На фиг.7 представлено распределение плотности потока нейтронов на выходе коллиматора и вблизи поверхности дополнительной защиты в следующих энергетических интервалах: 0-0,025 эВ - кривая 1; 0,4-100 эВ - кривая 2, 0,1-100 кэВ - кривая 3, 0,1-11 Мэв - кривая 4, 11-14 Мэв - кривая 5.
Коллиматор работает следующим образом. Быстрые нейтроны источника 1 излучаются в полный телесный угол. Значительная их часть попадает в вольфрамовый конвертер 4. Конвертер 4 расположен между источником быстрых нейтронов 1 и блоком-замедлителем 2. Между торцевой поверхностью конвертера 4 и ближайшей поверхностью полости 3 должно быть 2 см полиэтилена. Экспериментальные исследования показали, что площадь конвертера 4 должна быть не менее 15×15 см. и толщиной 2 см.
Для использования в качестве конвертеров 4 эффективны материалы: Be, W, Pb и U. В данном устройстве использован конвертер 4 из вольфрама. При прохождении быстрых нейтронов через конвертер 4 происходит неупругое
рассеяние быстрых нейтронов, при котором в результате одного акта рассеяния нейтрон теряет энергию, что позволяет уменьшить размер полиэтиленового блока-замедлителя 2. Одновременно возникает реакция (n, 2n), сечение которой для большинства изотопов вольфрама составляет около 2 барн. Это приводит к размножению нейтронов и уменьшению их энергии.
Быстрые нейтроны попадают в полиэтиленовый блок-замедлитель 2, в котором испытывают столкновения с ядрами водорода. В результате столкновения быстрые нейтроны замедляются до энергии 0,07 эВ, близкой к энергии тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны, рожденные в полиэтиленовом блоке-замедлителе 2, пронизывают полость 3 блока-замедлителя 2 и сталкиваются с материалом конвертера-отражателя 5. При этом они частично испытывают отражение обратно в блок-замедлитель 2. Конвертер-отражатель 5 преобразует и не замедлившиеся еще быстрые нейтроны за счет реакции (n, 2n), как и в конвертере 4 около источника быстрых нейтронов 1.
Тепловые нейтроны, не испытавшие отражение от стенок конвертера-отражателя 5, вытекают наружу и поглощаются в основном в слое защиты коллиматора 7 из борированного полиэтилена. Частично тепловые нейтроны поглощаются внутри блока-замедлителя 2 в результате неупругого рассеяния на водороде. Гамма-излучение, возникающее в результате неупругого рассеяния тепловых нейтронов в блоке-замедлителе 2, ослабляется в конвертере-отражателе 5 и в слое защиты коллиматора 6 из висмута. Слой защиты коллиматора 6 из висмута позволяет уменьшить выходящее из источника фоновое гамма излучение, так как, количество рожденных в нем гамма-квантов из-за неупругого рассеяния быстрых нейтронов, примерно, в 10 раз меньше, чем в свинце.
Поток тепловых нейтронов выходит из блока-замедлителя 2 и попадает в коллиматор 11, на выходе которого устанавливают исследуемый объект. Для уменьшения рассеяния тепловых нейтронов внутренняя поверхность коллиматора 11 покрыта слоем гадолиния толщиной 0,2 мм.