УСТРОЙСТВО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ ПОСРЕДСТВОМ МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНОВ

Решение относится к области анализа материалов радиационными методами, измерения вторичной эмиссии при облучении быстрыми нейтронами и может быть использовано для обнаружения и идентификации органических веществ, в том числе взрывчатых веществ.
Одна из главных проблем использования нейтронно-активационного анализа состоит в высоком уровне фоновой загрузки гамма- детекторов при регистрации информационного излучения. Источником фона являются гамма-кванты, испускаемые при взаимодействии нейтронов с гамма-детектором, элементами установки и окружающими предметами, распаде образующихся изотопов и т.д. Существенно снизить уровень регистрируемых фоновых сигналов за счет пространственной и временной селекции событий позволяет метод меченых нейтронов [Боголюбов Е.П., Каретников М.Д., Климов А.И., Короткое С.А., Козлов К.Н., Мелешко Е.А., Осташев И.Е., Хасаев Т.О., Яковлев Г.В. Контрольно- измерительный модуль для экспериментов с мечеными нейтронами // Приборы и техника эксперимента, №5, 2006, С. 67-73.].
Решение ([Балыгин К.А., Каретников М.Д., Климов А.И., Козлов К.Н., Мелешко Е.А., Осташев И.Е., Яковлев Г.В. Исследования характеристик детектирующей аппаратуры для наносекундного метода меченых нейтронов // Приборы и техника эксперимента, №2, 2009, С. 122-132.]) можно рассматривать, как наиболее близкое к предложенному устройству в данной заявке, содержит дейтерий-тритиевый нейтронный генератор со встроенным многопиксельным альфа-детектором, гамма-детекторы на основе неорганического сцинтиллятора;
меченые нейтроны, производимые нейтронным генератором проходят через инспектируемый объект и вызывают испускание гамма-квантов, аппаратура сбора данных при условии срабатывания гамма-детектора и альфа-детектора в заданном временном окне записывает величину амплитуды сигнала с гамма-детектора, время появления сигнала с гамма-детектора относительно сигнала от альфа-детектора, номер сработавшего гамма-детектора, номер сработавшего пикселя альфа-детектора;
По значениям величины амплитуды сигнала с гамма-детектора, времени появления сигнала с гамма-детектора относительно сигнала от альфа-детектора в заданном временном окне, номеру сработавшего гамма-детектора, номеру пикселя альфа-детектора определяют для каждого события энергию гамма- кванта и координаты места его испускания при облучении исследуемого объекта мечеными нейтронами. Данное устройство позволяет увеличить отношение эффект/фон на 2-4 порядка [Балыгин К.А., Каретников М.Д., Климов А.И., Козлов К.Н., Мелешко Е.А., Осташев И.Е., Яковлев Г.В. Исследования характеристик детектирующей аппаратуры для наносекундного метода меченых нейтронов // Приборы и техника эксперимента, №2, 2009, С. 122-132.] по сравнению с аналогичными устройствами без использования метода меченых нейтронов за счет того, что преимущественно регистрируют события (эффект), производимые мечеными нейтронами, а сигналы с гамма-детекторов, возникающие при попадании на него фоновых нейтронов и гамма-квантов не регистрируют, поскольку они не сопровождаются срабатыванием гамма-детектора и альфа-детектора в заданном временном окне. Гамма-детекторы установлены таким образом, чтобы меченые нейтроны в них не попадали. Недостатком устройства является неконтролируемое изменение калибровочной зависимости для гамма-детекторов в ходе эксплуатации, например, при изменении температуры и загрузки детектора. При этом увеличивается погрешность измерения энергии гамма-квантов.
4
3
12
1.8
0.2
5
Для уменьшения погрешности измерения энергии гамма-квантов в устройстве на основе метода меченых нейтронов, содержащем дейтерий-тритиевый нейтронный генератор со встроенным многопиксельным альфа-детектором, гамма-детекторы на основе неорганического сцинтиллятора, меченые нейтроны, производимые нейтронным генератором проходят через инспектируемый объект и вызывают испускание гамма-квантов, аппаратуру сбора данных, при условии срабатывания гамма- детектора и альфа-детектора в заданном временном окне записывающую величину амплитуды сигнала с гамма-детектора, время появления сигнала с гамма-детектора относительно сигнала от альфа-детектора, номер сработавшего гамма-детектора, номер сработавшего пикселя альфа-детектора, для регистрации гамма-квантов используют гамма-детекторы с высоким содержанием кислорода, объект исследования устанавливают между нейтронным генератором и гамма-детекторами, гамма-детекторы установлены таким образом, чтобы на каждый из гамма-детекторов попадали меченые нейтроны, а альфа-детектор расположен таким образом, чтобы альфа-частицы, сопутствующие нейтронам, которые попадают на гамма-детектор, приходили не менее, чем на один пиксел (калибровочный пиксел) альфа-детектора, расстояние S между исследуемым объектом и гамма-детекторами вдоль потока меченых нейтронов составляет не менее S=3v·τ, где τ - временное разрешение при измерении альфа-гамма совпадений, v - скорость меченых нейтронов, при условии совпадений сигналов в гамма- детекторе и сигналов, регистрируемых калибровочным пикселом альфа-детекторе в заданном временном окне, производят измерение спектра сигналов с гамма- детекторов, по этому спектру, используя наличие в нем пиков, возникающих при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах кислорода, содержащегося в гамма-детекторах, производят автоматическую калибровку энергетической шкалы гамма-детектора одновременно с регистрацией событий при облучении исследуемого объекта мечеными нейтронами, гамма-детекторы выполнены на основе неорганического сцинтиллятора с высоким содержанием кислорода, например, из германата висмута BiGeO (BGO) или ортосиликата лютеция LuYSiO(Ce) (LYSO).
Таким образом, техническим результатом заявленного предложения является уменьшение погрешности измерения энергии гамма-квантов посредством автоматической калибровки энергетической шкалы гамма-детектора.
Обеспечение указанного технического результата возможно при реализации следующей совокупности существенных признаков.
Устройство анализа материалов посредством меченых нейтронов, включающее дейтерий-тритиевый нейтронный генератор со встроенным многопиксельным альфа-детектором, установленный между нейтронным генератором и гамма- детекторами объект исследования, гамма-детекторы на основе неорганического сцинтиллятора, аппаратуру сбора данных,
при условии срабатывания гамма-детектора и альфа-детектора в заданном временном окне записывающую величину амплитуды сигнала с гамма-детектора, время появления сигнала с гамма-детектора относительно сигнала от альфа-детектора, номер сработавшего гамма-детектора, номер сработавшего пикселя альфа-детектора, причем
неорганические сцинтилляторы гамма-детекторов содержат кислород,
гамма-детекторы установлены таким образом, чтобы на каждый из гамма-детекторов попадали меченые нейтроны,
а альфа-детектор расположен таким образом, чтобы альфа-частицы, сопутствующие нейтронам, которые попадают на гамма-детектор, приходили не менее, чем на один пиксел (калибровочный пиксел) альфа-детектора,
аппаратура сбора данных снабжена средством измерения спектра сигналов с гамма-детекторов при условии совпадений сигналов в гамма-детекторе и сигналов, регистрируемых калибровочным пикселом альфа-детектора в заданном временном окне, с возможностью автоматической калибровки энергетической шкалы гамма-детектора
одновременно с регистрацией событий при облучении исследуемого объекта мечеными нейтронами с использованием полученного спектра сигналов с гамма-детекторов и наличия в нем пиков, возникающих при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах кислорода, содержащегося в гамма-детекторах, расстояние S между исследуемым объектом и гамма-детекторами вдоль потока меченых нейтронов составляет не менее S=3v·τ, где τ - временное разрешение при измерении альфа-гамма совпадений, v - скорость меченых нейтронов.
Предложение по настоящей заявке поясняется следующими иллюстративными материалами.
Фиг. 1 - Схема предлагаемого устройства.
Фиг  2 - Блок-схема экспериментальной модели для осуществления предложенного устройства.
Фиг. 3 - Нумерация пикселей альфа-детектора (вид стороны тритиевой мишени 2).
Фиг. 4 - Спектр гамма-квантов, соответствующий времени прохождения нейтронами исследуемого объекта 7.
Фиг. 5 - Спектр гамма-квантов, соответствующий времени прохождения нейтронами гамма-детектора 8.
Позициями на иллюстрациях обозначены:
1 - нейтронный генератор,
2 - пучок дейтронов,
3 - тритиевая мишень,
4 - нейтроны,
5 - альфа-частицы,
6 - позиционно-чувствительный (многопиксельный) альфа-детектор,
7 - исследуемый объект,
8 - гамма- детекторы,
9 - система сбора данных,
10 - ЭВМ.
4
4
Ионный источник нейтронного генератора 1 создает пучок дейтронов 2, падающий на тритиевую мишень 3. В реакции взаимодействия дейтерия с тритием T(d,n)Heобразуются быстрые нейтроны 4 и альфа-частицы 5 (He), причем начальная энергия и направление движения нейтрона и сопутствующей альфа-частицы однозначно связаны и определяются законами сохранения энергии и импульса в данной ядерной реакции:
d
n
α
α-d
n-d
4
где p, p, p - импульс дейтрона, нейтрона и α-частицы, соответственно; θ - угол между направлениями вылета альфа-частицы и дейтрона, θ - угол между направлениями вылета нейтрона и дейтрона, Q -  энергия T(d,n)He реакции ≈17.6 МэВ.
α
α
В нейтронный генератор встроен позиционно-чувствительный (многопиксельный) альфа-детектор 6, который фиксирует номер (координаты) R сработавшего пиксела и время регистрации альфа-частиц t, что позволяет, вводя поправку на скорость альфа-частицы (~1.3 см/нс), определять время вылета и направление движения альфа-частицы. По этим данным, используя соотношения (1), можно определить время вылета, направление движения и энергию (скорость) нейтрона, т.е. «пометить» нейтрон сопутствующей зарегистрированной альфа-частицей.
7
γ
α
Энергия меченых нейтронов составляет около 14 МэВ (скорость 5·10 м/с). При прохождении нейтрона с такой энергией в органическом веществе, находящемся в исследуемом объекте 7, одной из наиболее вероятных реакций взаимодействия нейтрона с веществом является реакция неупругого рассеяния нейтрона (n, n', γ) на ядрах углерода, азота и кислорода с испусканием гамма-квантов. Гамма-кванты регистрируют гамма-детекторами 8, при этом измеряется время регистрации гамма-кванта t. Учитывая известную скорость нейтрона, по разнице времени между регистрацией альфа-частицы и гамма кванта Δt=tγ-t можно определить расстояние L от мишени 3 нейтронного генератора до места испускания гамма-кванта в результате неупругого рассеяния меченого нейтрона в исследуемом объекте. Зная расстояние L и направление движения меченого нейтрона, можно определить пространственные координаты места, где произошло испускание гамма- кванта при неупругом рассеянии меченого нейтрона в исследуемом объекте.
Энергия гамма-кванта несет информацию о ядре-рассеивателе. При неупругом рассеянии быстрых нейтронов возникает гамма-излучение, спектр которого является сигнатурным, т.е. уникальным для различных химических элементов. В Таблице приведены энергии линий гамма-излучения, испускаемые при неупругом рассеянии нейтронов на ядрах азота, кислорода и углерода и используемые для идентификации этих элементов.
Таблица
Химический элемент
Энергия гамма-кванта, МэВ
Сечение, барн
Углерод
4,44
185
Кислород
2,74
52,7
3,76
48,5
6,12
149,3
6.91
50.30
7.12
57.12
Азот
2.313
49.2
3.685
29.8
5.106
37.6
Система сбора данных 9 регистрирует события в режиме совпадений, т.е. при условии одновременного срабатывания гамма-детектора и альфа-детектора в заданном временном окне. Информация о событии передается в ЭВМ 10 и включает четыре параметра: а) величину сигнала Q с гамма-детектора, б) время Δt регистрации сигнала от гамма-детектора относительно сигнала от альфа-детектора в заданном временном окне, в) номер сработавшего гамма-детектора, г) номер сработавшего пикселя альфа-детектора. В альфа-детектор попадает небольшая часть (1-2%) от общего потока альфа-частиц с мишени. Поскольку фоновые сигналы с гамма-детектора (которые не сопровождаются сигналом с альфа-детектора в заданном временном окне) не регистрируются, метод меченых нейтронов позволяет существенно увеличить отношение сигнал/фон.
2
4
3
12
1.8
0.2
5
1
2
1
2
В методе меченых нейтронов для регистрации гамма-квантов наиболее эффективно использовать гамма-детекторы на основе неорганических сцинтилляторов (NaI, LYSO, BaF, BiGeO, LuYSiO(Ce), сопряженных с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Энергия гамма-кванта определяется путем измерения величины сигнала Q с гамма-детектора. В качестве такого сигнала может использоваться заряд, собираемый на аноде ФЭУ, максимальная амплитуда тока на аноде ФЭУ и т.д. Для определения энергии гамма-квантов W путем измерения сигнала 6 необходима калибровка гамма-детекторов с помощью облучения гамма-квантами с известной энергией, например, образующимися при радиоактивном распаде радиоактивных изотопов (например, Co-60 или Cs-137) или при неупругом рассеянии нейтронов на некоторых веществах, сопровождаемых испусканием гамма-квантов нескольких линий, например, углерод, азот, кислород, алюминий (см. Таблицу). При использовании гамма-детекторов на основе неорганических сцинтилляторов сигнал Q линейно зависит от поглощенной энергии W [Ю.К. Акимов. Детекторы ядерных излучений на основе неорганических сцинтилляторов. Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т. 25, вып. 1, 1994, с. 229-284.], и калибровка производится по двум линиям спектра гамма-квантов W и W, соответствующих сигналу Q и Q, соответственно, а энергия гамма-кванта находится по из соотношения:
где калибровочные коэффициенты a и b определяются из уравнений:
1
1
Если Q=0 при W=0, то калибровка производится по одной линии спектра гамма-квантов W, соответствующей сигналу Q и калибровочные коэффициенты равны:
При изменении влияющих факторов, например, температуры или загрузки детектора калибровочный коэффициент b в калибровочной зависимости (2) неконтролируемо изменяется, что приводит к увеличению погрешности определения энергии гамма-кванта.
В уровне техники не известно средство того же назначения, что и заявленная полезная модель, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы полезной модели существенные признаки, включая характеристику назначения, следовательно, предложенное устройство является новым.
Предложенное устройство может быть использовано в промышленности для измерения содержания кислорода, азота, углерода в материале, в частности, в системах обнаружения взрывчатых веществ. Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения в контролируемых объектах без нарушения целостности объекта.
Следовательно, предложенное устройство является промышленно применимым и социально приемлемым.
Дополнительные пояснения к иллюстрациям.
Блок-схема экспериментальной модели для осуществления предложенного устройства представлена на Фиг. 2.
Нумерация пикселей альфа-детектора (вид стороны тритиевой мишени 2) приведена на Фиг. 3. Исследуемый объект представляет собой куб со стороной 0,1 м из графита.
4
3
12
4
3
12
1
2
1
2
-9
Нейтронный генератор 1 с встроенным многопиксельным альфа-детектором 6 испускает меченые нейтроны, при испускании меченого нейтрона время его вылета и направление движения регистрируется альфа-детектором. Исследуемый объект 7 помещают между нейтронным генератором 1 и гамма-детектором 8 на основе кристалла BiGeO, причем расстояние между исследуемым объектом 7 и гамма-детектором 8 составляет 0,45 м (временное разрешение системы при использовании гамма-детекторов на основе кристалла BiGeO составляет 3·10 с [Балыгин К.А., Каретников М.Д., Климов А.И., Козлов К.Н., Мелешко Е.А., Осташев И.Е., Яковлев Г.В. Исследования характеристик детектирующей аппаратуры для наносекундного метода меченых нейтронов // Приборы и техника эксперимента, №2, 2009, С. 122-132.]). Часть меченых нейтронов, испускаемых нейтронным генератором 1, проходит через исследуемый объект 7. При этом испускаются гамма-кванты в результате неупругого рассеяния нейтронов на ядрах исследуемого объекта 7. При условии срабатывания гамма-детектора 8 и альфа-детектора 6 в заданном временном окне система сбора данных 9 регистрирует события (альфа-гамма совпадения) При регистрации каждого события записывают четыре параметра: величину амплитуды сигнала с гамма-детектора, время появления сигнала с гамма-детектора относительно сигнала от альфа-детектора в заданном временном окне, номер сработавшего гамма- детектора, номер пикселя альфа-детектора. По этим параметрам определяют энергию гамма-кванта и координаты места его испускания при облучении исследуемого объекта мечеными нейтронами для проведения элементного анализа исследуемого объекта. Часть меченых нейтронов, сопутствующая альфа-частица которым регистрируется пикселем №2 (Фиг. 3), попадает на гамма-детектор 8 и возбуждает реакции неупругого рассеяния нейтронов с вылетом гамма-квантов на ядрах кислорода, входящего в состав гамма-детектора 8, которые регистрируются гамма-детектором 8. При условии срабатывания гамма-детектора 8 и альфа-детектора 6 в заданном временном окне система сбора данных 9 регистрирует события. По спектру величин сигналов с гамма-детектора 8 ЭВМ 10 определяет величины сигнала с гамма-детектора 6 (Q и Q), соответствующие энергиям двух пиков (W=3,76 МэВ и W=6,12 МэВ) спектра неупругого рассеяния нейтронов на ядрах кислорода (табл.1), входящего в состав рабочего тела гамма-детектора 8.
На Фиг. 4 показан спектр гамма-квантов, соответствующий времени прохождения нейтронами исследуемого объекта 7, при совпадении в заданном временном окне сигналов пикселя №5 (регистрирующим альфа-частицы, сопутствующие нейтронам, проходящим через исследуемый объект 7) альфа-детектора 6 и гамма-детектора 8, где виден характерный спектр гамма-квантов неупругого рассеяния на углероде (материале объекта 7). На Фиг. 5 показан спектр гамма-квантов, соответствующий времени прохождения нейтронами гамма-детектора 8, при совпадении в заданном временном окне сигналов пикселя №2 альфа-детектора (калибровочного пикселя) и гамма-детектора 8, где хорошо видны линии кислорода 3,76 МэВ и 6,13 МэВ, входящего в состав гамма-детектора 5.
1
2
1
2
При условии срабатывания гамма-детектора и альфа-детектора в заданном временном окне система сбора данных 9 регистрирует события. По спектру величин сигналов с гамма-детектора 6 ЭВМ 10 определяет величины сигнала с гамма-детектора 6 (Q и Q), соответствующие энергиям двух пиков (W=3,76 МэВ и W=6,12 МэВ) спектра неупругого рассеяния нейтронов на ядрах кислорода (табл.1), входящего в состав рабочего тела гамма-детектора 8. По соотношениям (3) и (4) определяют коэффициенты скорректированной калибровочной зависимости (2), связывающая величину сигнала с гамма-детектора 8 Q и энергию гамма-кванта W, и автоматически изменяют калибровочную зависимость.
Погрешность измерений ΔW энергии гамма-кванта можно представить как сумму случайной δ и систематической θ погрешности
Поскольку сигналы с гамма-детектора, регистрируемые в составе событий для проведения элементного анализа исследуемого объекта и автоматической калибровки, получены при одинаковой температуре и загрузки гамма-детектора, коэффициент b в соотношении (2) для них одинаковый. Следовательно, систематическая погрешность измерения энергии гамма- квантов, обусловленная изменением температуры сцинтиллятора или загрузки детектора, в заявляемом устройстве отсутствует (θ), а погрешность ΔW равна
где ε - энергетическое разрешение гамма- детектора, измеряемое по полной ширине пика на полувысоте (FWHM) на энергетическом спектре. Например, энергия гамма-квантов, испускаемых при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах углерода, составляет 4,44 МэВ. Энергетическое разрешение гамма-детектора на этой линии составляет ε=4%, следовательно, ΔW=0,076 МэВ.
4
3
12
Температурный коэффициент сцинтиллятора BiGeO k составляет 0,011/град [4. Gironneta J., Mikhailikc V.B., Krausc H., de Marcillaca P., Coron N. Scintillation studies of Bi4Ge3O12 (BGO) down to a temperature of 6 K // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A, Volume 594, Issue 3, 2008, P. 358-361]. При работе изменение температуры ΔT сцинтиллятора за счет нагрева со стороны фотоэлектронного умножителя составляет 3 град/C. При отсутствие автоматической калибровки (в устройстве прототипе) систематическая погрешность измерения энергии гамма-кванта определяется выражением
и для линии 4,44 МэВ равна 0,132 МэВ, а суммарная погрешность (формула (6)) составляет 0,208 МэВ, что более чем в 3 раза превышает значение погрешности, достижимую при использовании заявляемого устройства.