ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

Полезная модель относится к детекторам излучения и может быть использована для обнаружения и идентификации изотопных источников, а также для измерения энергетических и временных параметров излучения импульсных установок (устройств).
Известны ионизационные и сцинтилляционные детекторы излучения, основанные на преобразовании энергии ионизирующего излучения в электрический сигнал (Альбиков З.А., Веретенников А.И., Козлов О.В. Детекторы импульсного ионизирующего излучения. - М.: Энергоатомиздат, 1978 г.; Горн Л.С., Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.).
Каждый тип детектора имеет ограниченную область применения и ориентирован на использование в измерениях, связанных с конкретными требованиями по эффективности, спектральным характеристикам, чувствительности к излучению, временному разрешению, токовой чувствительности, возможности измерять однократные импульсы ионизирующего излучения, пределам измерения плотности потока, различным эксплуатационным характеристикам.
Известны портальные мониторы (патент Российской Федерации №2129289, G 01 T 1/167, опубл. 20.04.1999 г.), в которых широко используются для регистрации γ-излучения пластмассовые сцинтилляторы большой площади, а для регистрации нейтронов - гелиевые газоразрядные нейтронные детекторы.
Недостатком пластмассового сцинтиллятора является слабая спектральная чувствительность к γ-излучению, а недостатком нейтронных счетчиков - отсутствие спектральной чувствительности и ограниченная апертура.
Известны (R.S.Seymour, R.A.Craig, M.Bliss et al. Performance of a Neutron-Sensitive Scintillating Glass-Fiber Panel for Portal, Freight and Vehicle Monitoring. Proceeding of SPIE, v. 3536. Nuclear Waste Engineering Section, p.148-155, 1998) портальные мониторы нейтронного излучения на базе литий-содержащего сцинтиллирующего оптоволокна PUMA (по патенту США №5680423, G 01 T 3/06, 21.10.1997), в которых в качестве дополнительного детектора γ-квантов используются неорганические кристаллы (NaI(Tl), BGO).
К недостаткам относится: отсутствие спектральной чувствительности к нейтронам, ограниченная апертура регистрации γ-излучения, невозможность обеспечения спектральных γ-измерений в токовом режиме, высокая стоимость неорганических кристаллов больших размеров.
Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регистрации потоков нейтронов, описанное в патенте Российской Федерации №2102775, G 01 T 3/00, опубл. 20.01.1998 г. Устройство состоит из чередующихся замедляющих и поглощающих нейтроны слоев тепловых и медленных нейтронов (регистраторов). Каждый слой регистраторов подключен к соответствующему счетчику электрических импульсов (система обработки информации).
Недостатком такого устройства является то, что устройство не регистрирует сопутствующее нейтронам γ-излучение источников, что не позволяет в полной мере измерить характеристики источников излучения и, таким образом, его идентифицировать. Недостатком является и то, что оно обладает ограниченной плоской апертурой, связанной с формой и размерами газоразрядных счетчиков нейтронов, которые необходимо применять в устройстве.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании энергочувствительного, высокоэффективного детектора нейтронов и γ-квантов, имеющего большую апертуру и позволяющего надежно обнаруживать
и идентифицировать источники излучения различных размеров и форм.
Технический результат заключается в обеспечении высокой спектральной чувствительности детектора к нейтронам и γ-квантам.
Для получения такого технического результата предлагаемый детектор, состоящий из чередующихся замедляющих нейтроны и детектирующих излучение слоев, в котором каждый из детектирующих слоев подключен к системе обработки информации, согласно заявляемой полезной модели, он снабжен конвертирующими γ-излучение слоями из высокоплотного материала, установленными перед сцинтиллирующими оптоволокнами, детектирующими излучение.
Это приводит к тому, что благодаря конвертирующим слоям реализуется спектральная чувствительность к γ-излучению, использование сцинтилляционного оптоволокна позволяет создавать высокочувствительные детекторы излучения различной формы, большой апертуры - с площадью входного окна, превышающей размеры пластмассовых сцинтилляторов портальных мониторов.
В результате проведенного заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле на полезную модель.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлен детектор, содержащий i-oe число чередующихся слоев: замедляющего материала (1), конвертирующего материала (2) и примыкающих к ним детектирующих слоев (3) сцинтиллирующего оптоволокна (сцинтиллятора). Продольная ось детектора ориентирована вдоль направления распространения излучения.
Устройство работает следующим образом.
Обнаружение и идентификация источников нейтронов осуществляется с помощью регистрации тепловых нейтронов в детектирующих слоях (3) после прохождения нейтронами замедляющих слоев (1). При использовании в качестве замедлителя органического сцинтиллятора для выделения доли быстрых нейтронов на фоне медленных, в блоке обработки информации (на чертеже не показан) в пределах времени замедления нейтронов анализируется совпадение импульса от быстрого нейтрона в органическом сцинтилляторе и импульса в литиевом сцинтиллирующем волокне от поглощения теплового нейтрона после его замедления.
i
Работа детектора по регистрации γ-квантов основана на следующем алгоритме. Регистрируемые γ-кванты с энергией Е, распространяющиеся в направлении Z, падают на фронтальную поверхность конвертирующих слоев (2) и, взаимодействуя с ними, создают поток электронов и позитронов, которые в зависимости от их энергии и пробега в слоях (2) достигают соответствующего детектирующего слоя (3) сцинтиллятора, преобразующего энергию заряженных частиц в световые сцинтилляции - отсчеты (N), регистрируемые ФЭУ.
i
Каждой энергии γ-квантов Е и конвертирующему слою (2) фиксированной толщины будет соответствовать свой характерный набор отсчетов N.
k
Толщина конвертирующих слоев (Δ) в детекторе выбирается из условия
e
где R - средняя длина пробега образующихся в них заряженных частиц. Число конвертирующих (2) и детектирующих (3) слоев в детекторе выбирается так, чтобы его толщина была примерно равной или несколько большей длины пробега в нем γ-квантов с энергией Е
где d - толщина слоя;
γ
l(Е) - длина пробега γ-квантов с энергией Е.
Выполнение этих условий направлено на достижение высокой эффективности и селективности детектора. Этому способствует и то, что конструкция предлагаемого детектора позволяет использовать разнообразные материалы для изготовления конвертирующих слоев и создает возможность измерения энергетического спектра регистрируемого γ-излучения "методом фильтров" с помощью предлагаемого детектора при условии, что регистрация сигнала от него осуществляется раздельно от каждого детектирующего слоя.
Посредством выбора материала и толщины конвертирующих слоев, а также их числа (n) возможно целенаправленно изменять энергетическую зависимость чувствительности детектора (селективность).
k
с
Конвертирующие слои детектора выполняются из материалов с высоким атомным номером и высокой плотностью (например - свинец), что позволяет создавать сцинтилляционные детекторы большой эффективности для высокоэнергетичных γ-квантов: проведенные расчеты для модели детектора с конвертирующими слоями из Рb толщиной Δ=0,15 см и детектирующих слоев толщиной Δ=0,07 см при n=10 показали, что ожидаемая эффективность регистрации γ-квантов с энергией Е=10 МэВ составит Э≅47%, что
сравнимо с соответствующей величиной для NaI-детекторов большого размера (⌀15×10 см).
2
Малая толщина детектора при его большой площади ≥(30×40) см обусловливает новое дополнительное, ценное качество - анизотропию чувствительности по отношению к направлению падающего излучения, позволяющую определять расположение источника излучения.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при его осуществлении, предназначено для обнаружения и идентификации изотопных источников;
для заявленного детектора в том виде, как он охарактеризован в формуле на полезную модель, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
детектор нейтронов и γ-квантов, воплощенный в заявленной полезной модели, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».