СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РЕАКТОРНЫХ АНТИНЕЙТРИНО
METHOD OF DETECTING REACTOR ANTINEUTRINOS

Область техники
Изобретение относится к способам регистрации реакторных антинейтрино сцинтилляционным методом с использованием сочетания неорганических сцинтилляционных материалов, содержащих атомы гадолиния, и органических сцинтилляционных материалов, являющихся протонными мишенями для антинейтрино, для использования в детекторах антинейтрино для систем дистанционного контроля ядерно-реакторной техники.
Уровень техники
Известен способ регистрации реакторных антинейтрино по реакции обратного бета-распада с использованием жидких органических сцинтилляторов, содержащих атомы гадолиния. Примером такого типа детекторов является установка SONGS1, установленная возле атомного реактора SONGS мощностью 3,46 ГВт в Калифорнии (США) (Experimental results from an antineutrino detector for cooperative monitoring of nuclear reactors / N.S. Bowden [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2007. - Vol. 572. - P. 985-998). Детектор установлен в 24,5 м от реакторной зоны, за пределами бетонной защиты, что обеспечивает значительное снижение потока реакторных нейтронов (толщина защиты превышает 100 длин поглощения нейтронов с энергией 10 МэВ) и гамма-квантов. Детектор расположен на глубине 10 м под поверхностью земли, что позволяет режектировать мягкую компоненту космических лучей и снизить поток космических мюонов в 7 раз.
Несмотря на относительную простоту и компактность детектора SONGS1, он имеет следующие недостатки:
1. Малая гранулярность (только четыре ячейки, каждая из которых работает как независимая и не учитывается перенос поглощенной энергии между ячейками).
2. Малый объем рабочего тела низкой плотности (жидкий сцинтиллятор).
Отмеченные особенности приводят к тому, что данный детектор обладает низкой эффективностью обнаружения антинейтрино, умеренным соотношением сигнал/фон и низким энергетическим разрешением. Дополнительным недостатком систем детектирования реакторных антинейтрино на основе взаимодействия с жидкими сцинтилляторами является то, что к ним предъявляются повышенные требования по выбору материала контейнера и его герметичности в связи с возможностью протечки жидких сцинтилляторов, их пожароопасностью и возможностью деградации вследствие взаимодействия с материалом контейнера.
Кроме того, большие объемы жидких сцинтилляторов испытывают деградацию своих сцинтилляционных свойств со временем за счет протекания радиохимических реакций при облучении детектора, в результате которого образующиеся свободные радикалы и активные молекулы могут формировать новые соединения, которые могут приводить к снижению оптической прозрачности жидкости, а нерастворимые осадки могут осаждаться на входных окнах фотоприемников, снижая их оптическое пропускание. В значительной степени данные процессы будут значимы использовании больших объемов жидких сцинтилляторов, что требуется для повышения эффективности регистрации антинейтрино.
Известен способ регистрации реакторных антинейтрино по реакции обратного бета-распада с использованием детекторов черенковского излучения. В качестве примера можно указать проект Angra Neutrino Experiment (Using Neutrinos to Monitor Nuclear Reactors: the Angra Neutrino Experiment, Simulation and Detector Status / J.C. Anjos [et al.] // Nuclear and Particle Physics Proceedings. - 2015. - Vol. 267-269. - P. 108-115). Рабочим телом детектора является бак с чистой водой с добавлением атомов гадолиния природного изотопного состава, окруженный баками с чистой водой в качестве активной защиты от космических лучей и внешнего гамма-фона распада природных радионуклидов. Детектор размещен на расстоянии 30 м от реактора Angra II (Бразилия) с проектной тепловой мощностью 4 ГВт. Структура детектора включает в себя четыре подсистемы.
К основным недостаткам антинейтринного детектора на основе черенковских детекторов следует отнести:
1. Детектор обладает малой эффективностью регистрации антинейтрино, в связи с чем, для достижения достоверности измерений 95% теоретическое оценочное время набора статистики составляет не менее 10 дней.
2. Распад мюона, не полное отсечение фоновых процессов при смешанной двухдиапазонной амплитудно-временной селекции, а также ненулевая вероятность не срабатывания систем внешних вето повышает частоту коррелированных сигналов, обусловленных мюонами, до ~0,1 имп./с, что выше антинейтринной скорости счета. Для минимизации этого вклада необходимо проведение точных измерений фона в периоды выключения реактора, или проведения измерений фона с заменой рабочей среды детектора на чистую воду без добавления гадолиния.
2
e+
max
3. Для описанной системы характерен малый выход фотонов черенковского излучения - менее 1500 фотонов от каждого позитрона. Выход фотонов черенковского излучения на единицу пути заряженной частицы можно оценить как dN/dL=490⋅sin(θ) фотонов/см в диапазоне 400-700 нм, что при показателе преломления воды n=1,333 и максимальной энергии позитронов E=5-8 МэВ (граничная энергия бета-спектра позитронов при обратном бета-распаде от реакторных антинейтрино), даст указанную величину, т.к. позитроны данных энергий имеют пробег в воде до 3-4 см (Групен, К. Детекторы элементарных частиц / К. Групен; под ред. Л.М. Курдадзе, С.И. Эйдельмана; пер. с англ.: Н.Ю. Эйдельман, Ю.И. Эйдельман. - Новосибирск: Сиб. хронограф, 1999. - 408 с.).
min
0
4. Детектор обладает высоким энергетическим порогом генерации черенковского излучения: E=338 кэВ для позитронов в воде, что можно оценить на основе выражения угла растра конуса черенковского излучения  откуда следует ограничение на порог бета-фактора заряженной частицы: β≥1/n. Энергия частицы может быть представлена в виде  где γ - Лоренц-фактор, m - масса покоя частицы, откуда получаем выражения для нижнего порога энергии частицы, необходимый для начала генерации черенковского излучения:  который дает указанную величину для позитронов в воде (n=1,333). Это повышает требуемое время накопления сигнала.
6
3
6
Известен способ регистрации реакторных антинейтрино по реакции обратного бета-распада с использованием сцинтилляторов, содержащих изотоп Li. Примером такого детектора может служить установка MiniCHANDLER, функционирующая возле первого энергоблока АЭС NANGS в г. Блэксберг (Виргиния, США). Детектор расположен в 25 м от центра реактора с тепловой мощностью 2,94 ГВт (Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector / A. Haghighat [et al.] [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2018. Дата обновления: 05.12.2018. URL:https://arxiv.org/abs/1812.02163). Детектор массой 80 кг имеет кубическую геометрию, состоит из пяти слоев органического сцинтиллятора EJ-260 на основе поливинилтолуола производства Eljen Technology, каждый из которых представляет собой матрицу кубов 8×8 штук размерами 62×62×62 мм. К каждому горизонтальному столбцу 1×8 кубов в слое с одной стороны подсоединен ФЭУ Amperex ХР2202. Максимум спектра высвечивания сцинтилляций EJ-260 приходится на 490 нм, характерное время затухания кинетики сцинтилляций - 9,2 не (https://eljentechnology.com/products/plastic-scintillators/ej-260-ej-262). Слои органического сцинтиллятора разделены шестью пластинчатыми детекторами тепловых нейтронов EJ-426 производства Eljen Technology. Пластины EJ-426 имеют толщину 0,32-0,5 мм, состоят из микрочастиц фторида лития LiF, обогащенного по изотопу Li до 95%, замешанных с микрокристаллами сцинтиллятора сульфид цинка ZnS:Ag с максимумом спектра высвечивания 450 нм (https://eljentechnology.com/products/neutron-detectors/ej-426).
Важными недостатками систем на основе Li-содержащих детекторов являются следующие:
6
40
α
t
1. При передаче кинетической энергии от тяжелых ионизирующих частиц (альфа-частиц и тритонов в случае регистрации нейтронов по реакции Li(n,α)t) происходит подавление выхода сцинтилляций, в результате чего совокупная энергия этих частиц 4,8 МэВ (Е=2,05 МэВ, E=2,75 МэВ) в шкале энергий гамма-квантов будет фиксироваться предлагаемыми в описанном решении неорганическими сцинтилляционными материалами в диапазоне 1,5-1,7 МэВ, что соответствует типичному отношению вклада от альфа-частиц относительно вклада гамма-квантов α/γ=0,3. Данный энергетический диапазон приходится на участок гамма-фона в районе линии излучения 1461 кэВ изотопа K, повсеместно присутствующего в земных породах, в том числе - в строительных материалах.
7
2. Использование внешнего слоя защиты из пластмассы с добавлением атомов бора для защиты от потока реакторных тепловых нейтронов приводит к испусканию гамма-квантов с энергией 480 кэВ, связанных со снятием возбужденного состояния ядра Li, образующегося в ходе реакции  Вероятность данной реакции равна 93%, что повышает гамма-фон внутри детектора. Линия 480 кэВ находится вблизи аннигиляционной линии 511 кэВ, по которой идет дополнительная селекция полезных событий.
3. Низкая плотность органического сцинтиллятора приводит к увеличению области высвечивания сцинтилляций от аннигиляционных гамма-квантов, что ухудшает и усложняет пространственную селекцию полезных событий.
4. Относительно низкая степень сегментации детектора приводит к ухудшению пространственной селекции полезных событий.
6
5. Необходимость обогащения нейтронного детектора по изотопу Li для повышения эффективности регистрации тепловых нейтронов значительно увеличивает его стоимость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ детектирования реакторных антинейтрино, описанный в (Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector / A. Haghighat [et al.] [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2018. Дата обновления: 05.12.2018. URL:https://arxiv.org/abs/1812.02163 (дата обращения: 28.08.2019).
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение достоверности регистрации реакторных антинейтрино сцинтилляционным методом с использованием сочетания неорганических сцинтилляционных материалов, содержащих атомы гадолиния, и органических сцинтилляционных материалов, являющихся протонными мишенями для антинейтрино, для использования в детекторах антинейтрино для систем дистанционного контроля ядерно-реакторной техники.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность детектирования реакторных антинейтрино.
-8
-5
-6
Для достижения данного технического результата предложен способ регистрации реакторных антинейтрино, заключающийся в том, что регистрируют фотоны сцинтилляций, образующиеся при попадании аннигиляционных гамма-квантов и нейтронов в гамма-лучевой сцинтиллятор на основе неорганического материала, содержащего атомы гадолиния, а гамма-лучевой сцинтиллятор на основе органического материала, содержащего атомы водорода и находящийся в непосредственной близости к сцинтиллятору на основе неорганического материала, используют в качестве протон-содержащей мишени, среды для замедления позитронов и нейтронов, а также активной защиты от заряженной и нейтронной компоненты фонового космического излучения и при этом, в гамма-лучевом сцинтилляторе на основе неорганического материала, содержащего атомы гадолиния, определяют координату взаимодействия гамма-квантов, момент взаимодействия во времени и выделенную в результате взаимодействия энергию и отделяют полезные события от фоновых, регистрируя энерговыделение от аннигиляционных гамма-квантов в энергетическом диапазоне 400-3000 кэВ, от нейтронов в энергетическом диапазоне 5000-8000 кэВ, регистрируют мгновенные совпадения от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов во временном окне 10 с и задержанные на время 10 - 10 с сигналы от нейтронов и анализируют на соответствие заранее рассчитанным компьютерным моделям пространственные области в гамма-лучевом сцинтилляторе на основе неорганического материала, в которых мгновенно либо в определенных временных интервалах было зарегистрировано указанное энерговыделение.
2
5
2
2
7
3
3
2
3
12
Кроме того, в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, используют материалы из ряда: GdSiO, GdSiO, GdBr, GdAlGaO в форме монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы Се и/или Tb и/или Eu, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве до 2 ат.%.
Кроме того, в неорганических сцинтилляционных материалах, содержащих атомы гадолиния, замещают до 60% атомов Gd атомами Y или лантаноидами.
Кроме того, в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, используют сцинтилляционное стекло, содержащее оксиды Gd, Si, а в качестве активатора атомы Се и/или Tb.
Кроме того, в качестве органического сцинтилляционного материала, содержащего атомы водорода, используют пластиковые сцинтилляторы или жидкие сцинтилляторы, не содержащие в своем составе гадолиний.
Краткое описание сути способа состоит в том, что регистрацию антинейтрино осуществляют по реакции обратного бета-распада на протонах, при котором в слоях сегментированного гадолиний-содержащего неорганического сцинтиллятора, чередующихся со слоями органического сцинтиллятора, регистрируют фотоны сцинтилляций от аннигиляции рождающихся в ходе реакции обратного бета-распада позитронов (мгновенный сигнал), а также фотоны сцинтилляций от каскада гамма-квантов, испущенных при поглощении нейтронов, возникших в ходе реакции обратного бета-распада (задержанный сигнал).
Основные отличия предлагаемого нами способа от прототипа заключаются в следующем:
- регистрация сигналов от позитронов (мгновенный сигнал), рожденных в ходе реакции обратного бета-распада в слоях органического сцинтиллятора, а также сигналов термализованных в слоях органического сцинтиллятора нейтронов (задержанный сигнал), рожденных в той же реакции, производится в сегментированном неорганическом сцинтилляторе высокой плотности, содержащем атомы гадолиния природного изотопного состава;
- слои органического сцинтиллятора выполняют роль только в качестве термализирующей нейтроны среды, а также активной защиты от сигналов случайны совпадений, возникающих под влиянием космического излучения;
- в результате захвата нейтронов атомами гадолиния рождаются каскадные гамма-кванты суммарной энергией до 8 МэВ, регистрация которых в слоях сегментированного гадолиний-содержащего неорганического сцинтиллятора формирует задержанный сигнал;
- использование режима совпадений различными сегментами неорганического сцинтиллятора при регистрации мгновенного сигнала в границах эффективного временного окна совпадений, в рамках которого будет отслеживаться регистрация мгновенного сигнала, позволяет значительно подавить скорость счета случайных фоновых событий;
- мгновенный и задержанный сигналы локализуют области внутри детектора, разделенные как по времени, так и пространственно, по которым производится селекция полезных событий с учетом пространственной, временной и амплитудной селекции, а также с учетом сигналов вето органических сцинтилляторов, отсекающих фон заряженной и нейтронной компоненты космического фонового излучения;
- дополнительная селекция полезных событий осуществляется на основе анализа взаимной пространственной ориентации областей локализации мгновенного и задержанного сигнала в детекторе. В основе этого подхода лежит факт анизотропного испускания нейтронов по направлению к антинейтрино из активной зоны реактора в ходе реакции обратного бета-распада.
Согласно предлагаемому способу, регистрация антинейтрино осуществляется посредством их реакции с протонами органического сцинтиллятора, в ходе которой рождаются позитрон и нейтрон. Позитрон после термализации в органическом сцинтилляторе аннигилирует с испусканием двух гамма-квантов 511 кэВ, вылетающих под углом 180°. Испущенные аннигиляционные гамма-кванты и потери энергии позитрона при его термализации регистрируются в сегментах неорганического сцинтиллятора, содержащего атомы гадолиния, формируя мгновенный сигнал. Испущенный в ходе реакции обратного бета-распада нейтрон термализуется в слое органического сцинтиллятора и за счет дрейфа попадает в сегменты неорганического сцинтиллятора, в котором захватывается ядром гадолиния. При взаимодействии с нейтронами ядра атомов гадолиния излучают набор гамма-квантов в широком энергетическом диапазоне с суммарной энергией около 8 МэВ, за счет чего в сегментах неорганического сцинтиллятора формируется задержанный сигнал. Сцинтилляции регистрируются фотодетекторами - например, полупроводниковыми фотодетекторами, непосредственно соединенными с сегментами детектора, либо свет сцинтилляций из сегментов детектора передается в проходящие через сегменты оптические световоды, которые соединяются с фотоприемниками за пределами чувствительного объема детектора - фотоэлектронным умножителем или полупроводниковыми фотодетекторами.
На основе информации о координатах попадания в сегменты неорганического гамма-лучевого сцинтиллятора аннигиляционных гамма-квантов определяется область пространства в детекторе, в которой был рожден позитрон, а на основе информации о координатах попадания каскада гамма-квантов, вызванных захватом нейтрона ядром атома гадолиния, определяется область пространства детектора, в которой был захвачен нейтрон. Анализ взаимного пространственного расположения этих областей в объеме детектора в совокупности с остальными указанными методами селекции позволяет идентифицировать факт регистрации антинейтрино. Дополнительный триггер формируется на основе пространственной селекции областей локализации мгновенных и задержанных событий: рождающиеся в ходе реакции обратного бета-распада позитроны испускаются практически изотропно относительно направления движения антинейтрино, в то время как нейтроны вылетают преимущественно в направлении движения первичных антинейтрино.
При регистрации сцинтилляционных импульсов указанных двух процессов производится одновременно 4 типа селекции сигналов:
- амплитудная селекция событий: регистрация одновременных аннигиляционных гамма-квантов 511 кэВ в сегментах слоев неорганического сцинтиллятора, содержащего гадолиний, в определенном энергетическом окне, с отдельным триггером на превышение порога суммарной выделенной энергии во всех сегментах неорганического сцинтиллятора энергии более 3 МэВ, оптимально - более 5 МэВ;
- пространственная селекция событий: за счет анализа информации и регистрации сигнала в разных сегментах неорганического сцинтиллятора производится определение координаты взаимодействия гамма-квантов; в качестве полезных сигналов выбирают только сигналы, сгенерированные в определенной пространственной области;
- временная селекция: регистрация реализуется в режиме задержанных совпадений между мгновенными сигналами совпадений от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов и задержанным сигналом от каскадных гамма-квантов, рожденных после захвата нейтрона ядром гадолиния. Задержка нейтронного сигнала обусловлена процессами термализации нейтрона в слоях органического сцинтиллятора с последующим дрейфом к сегментам неорганического сцинтиллятора, содержащего гадолиний. Дополнительная временная селекция осуществляется за счет регистрации мгновенных сигналов в рамках временного окна порядка 10 нс, а задержанных совпадений в рамках временного окна 2-18 мкс от момента регистрации мгновенных сигналов;
- дополнительное вето формируется за счет совпадающих сигналов, генерируемых слоями органического сцинтиллятора при прохождении через них частиц космических лучей.
Природный гадолиний имеет одно из самых высоких сечений захвата тепловых нейтронов - 46000 барн (ENDF, https://www-nds.iaea.org/exfor/endf.htm), что значительно повышает эффективность регистрации нейтронов и улучшает локализацию области поглощения нейтронов после их термализации в сцинтилляторах с высоким содержанием гадолиния. В случае использования только водород-содержащего сцинтиллятора время захвата нейтронов увеличивается до 100 мкс с испусканием каскада гамма-квантов с суммарной энергией 2,2 МэВ (Experimental results from an antineutrino detector for cooperative monitoring of nuclear reactors / N.S. Bowden [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2007. - Vol. 572. - P. 985-998.), что приводит к формированию интегрального задержанного сигнала в энергетическом диапазоне естественного гамма-фона (до 3 МэВ), что, в свою очередь, снижает достоверность селекции полезных событий. Использование твердотельного неорганического сцинтиллятора с добавлением гадолиния позволяет существенно увеличить как эффективность регистрации гамма-квантов (за счет высокой плотности и большой величины эффективного заряда вещества сцинтиллятора), так и термализованных нейтронов (за счет содержания атомов Gd), что позволяет создавать высокочувствительные детекторы антинейтрино меньших объемов, чем аналоги на основе гадолиний-содержащий жидких сцинтилляторов. Сегментация гамма-лучевого сцинтиллятора способствует увеличению пространственного разрешения детектируемых событий и дополнительной режекции фоновых событий. Кроме того, использование негигроскопичных неорганических сцинтилляторов упрощает конструкцию детектора по сравнению с использованием жидких сцинтилляторов.
Использование описанной выше многоступенчатой системы селекции полезных событий позволяет существенно снизить влияние фоновых событий любой природы: собственной радиоактивности материалов детекторов и фотоприемников, заряженных частиц и быстрых нейтронов космических лучей, внешних фоновых замедленных нейтронов от реактора, а также фоновых гамма-лучей от распада природных радиоизотопов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен схематический рисунок участка детектора, где:
1 - слои органического сцинтиллятора;
2 - сегменты неорганического сцинтиллятора, содержащего атомы гадолиния;
3 - фотоприемники.
На фиг. 2 представлен энергетический спектр позитронов, испускаемых при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами по реакции обратного бета-распада.
На фиг. 3 представлен энергетический спектр нейтронов, испускаемых при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами по реакции обратного бета-распада.
На фиг. 4 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) временные спектры термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ в поливинилтолуоле (ПВТ), а также нейтроны со спектром, соответствующем обратному бета-распаду в поливинилтолуоле.
На фиг. 5 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ в поливинилтолуоле (ПВТ), а также нейтронов со спектром, соответствующем обратному бета-распаду в поливинилтолуоле.
3
2
3
12
На фиг. 6 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации позитронов с энергией, соответствующей реакции обратного бета-распада, в сцинтилляторе GdAlGaO:Ce (GAGG) и ПВТ.
22
На фиг. 7 представлен бета-спектр позитронов, испущенных источником Na.
22
На фиг. 8 представлены измеренные гамма-спектры от источника Na, зарегистрированные в кристалле BGO при наличие алюминиевого поглотителя между источником и кристаллом и без него.
3
137
На фиг. 9 представлен измеренный фоновый спектр, полученный от кристалла GAGG 10×10×10 мм. Энергетическая калибровка проводилась по гамма-квантам 662 кэВ от Cs.
На фиг. 10 представлены распределения поглощенной энергии в слоях GAGG и ПВТ толщиной 10 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду.
На фиг. 11 представлена зависимость максимального угла вылета нейтрона относительно направления первичного антинейтрино при реакции обратного бета-распада.
На фиг. 12 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ и GAGG по 10 мм.
На фиг. 13 представлены распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 100 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду.
На фиг. 14 представлены распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 5 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду.
На фиг. 15 представлен схематический рисунок ячейки детектора с двойным трактом регистрации, где:
4 - сцинтиллятор;
5 - фотоприемник.
На фиг. 16 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 100 мм, GAGG 10 мм.
На фиг. 17 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 5 мм, GAGG 10 мм.
Осуществление и примеры реализации изобретения
Способ регистрации включает в себя следующие операции:
1) Составление измерительной схемы (детектора), состоящей из сплошных пластин органического сцинтиллятора, между которыми размещаются сегментированные слои неорганического сцинтиллятора 1, имеющего в своем составе атомы гадолиния, и оборудования, которое позволяет регистрировать свет, испускаемый сцинтилляторами при помощи любого из известных устройств, например, при помощи фотоэлектронного умножителя, кремниевого полупроводникового прибора, или любым другим способом, причем указанное оборудование регистрирует свет, испущенный в каждой пластине органического сцинтиллятора и в каждом сегменте каждого слоя неорганического сцинтиллятора по отдельным независимым каналам. На Фиг. 1 показан схематический рисунок участка детектора предлагаемой конструкции.
2) Регистрацию сигналов всех каналов измерительной схемы.
3) Обработку сигналов, включающую:
A) временную селекцию;
Б) пространственную селекцию;
B) амплитудную селекцию;
Г) применение дополнительной фильтрации, основанной на правиле «вето», основанном на сигнале регистрации космических лучей органическим сцинтиллятором.
Ниже приведено описание осуществления и выбора параметров обработки сигнала и геометрических характеристик детектора, позволяющих обеспечить достижение технического результата.
2
5
2
2
7
3
3
2
3
12
В качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, могут быть использованы материалы из ряда: GdSiO, GdSiO, GdBr, GdAlGaO в форме монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы Се и/или Tb и/или Eu, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве до 2 ат. %. Также могут быть использованы и другие неорганические сцинтилляторы, в состав которых входит Gd. В том числе, это могут быть материалы из ряда, приведенного выше, в которых замещают до 60% атомов Gd атомами Y или лантаноидами. Также в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, могут использовать сцинтилляционное стекло, содержащее оксиды Gd, Si, а в качестве активатора атомы Се и/или Tb.
При оценке требуемых пространственных параметров элементов детектора нужно принимать во внимание энергетические спектры позитронов и нейтронов, рождающихся при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами. На фиг. 2 и 3 представлены энергетические спектры позитронов и нейтронов соответственно, испускаемых при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами по реакции обратного бета-распада. Спектр позитронов представляет собой стандартный спектр бета-излучения с граничной энергией около 8 МэВ и средней энергией около 2 МэВ. Наиболее вероятная энергия нейтронов составляет единицы кэВ. Данные спектры были использованы для расчета параметров термализации нейтронов и позитронов в сцинтилляционных материалах предлагаемого детектора.
Осуществление временной селекции полезных событий.
На фиг. 4 представлены расчетные (моделирование в GEANT4 (Geant4 - a simulation toolkit / S. Agostinelli [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. - 2003. - Vol. 506. - P. 250-303) временные спектры термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ, а также нейтронов со спектром, соответствующим обратному бета-распаду в поливинилтолуоле (ПВТ). Результаты расчетов показывают, что 90% нейтронов, испущенных в ходе взаимодействия реакторных антинейтрино с протонами органического гамма-лучевого спектрометра, термализуются за время не более 18 мкс от момента испускания, наиболее вероятное время термализации составляет порядка 3 мкс, что позволяет задать временное окно регистрации задержанного сигнала с границами от 2-3 мкс до 18-20 мкс от момента регистрации мгновенных сигналов. Термализация позитронов в материале неорганического и органического сцинтилляторов происходит за времена до нескольких десятков пикосекунд (моделирование в GEANT4 показывает, что 90% позитронов термализуются в ПВТ за 70 пс, а в GAGG за ~5 пс). С учетом характерных времен нарастания интенсивности высвечивания сцинтилляций в органических и неорганических сцинтилляторах (до 1 нс), а также задержки на сбор сцинтилляционных фотонов из объема ячейки неорганического сцинтиллятора объемом несколько кубических сантиметров, можно задать предпочтительное значение эффективного временного окна совпадений, в рамках которого будет отслеживаться регистрация мгновенного сигнала, в 10 нс. Использование узкого временного окна совпадений для регистрации мгновенных сигналов позволяет значительно подавить скорость счета случайных фоновых событий: фактор подавления составит (18 мкс - 2 мкс)/0,01 мкс=1600.
Осуществление пространственной селекции полезных событий.
Пространственная селекция позволяет подавить скорость счета случайных совпадений с фоновыми сигналами: локализация областей энерговыделения мгновенного и запаздывающего сигналов формируют соответствующие сферы пространства внутри детектора, объемы которых значительно меньше полного объема детектора. Тогда степень подавления скорости счета случайных совпадений фоновых событий будет равна отношению объема детектора к объему этих сфер.
На фиг. 5 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ в ПВТ, а также нейтронов со спектром, соответствующим обратному бета-распаду в ПВТ. Результаты моделирования показывают, что 90% нейтронов, испущенных в ходе взаимодействия реакторных антинейтрино с протонами органического гамма-лучевого спектрометра, термализуются в слое ПВТ толщиной 10-12 см, а средняя глубина термализации таких нейтронов составляет около 5 см. Полученные значения задают границы области термализации нейтронов в неорганическом сцинтилляторе.
γγ
γγ
2
До акта аннигиляции образованные позитроны также испытывают термализацию, причем основная доля позитронов испытывает аннигиляцию после термализации, т.к. сечение аннигиляции σ обратно пропорционально квадрату кинетической энергии позитрона: σ~1/Е (Electron-positron pairs in physics and astrophysics: From heavy nuclei to black holes / R. Ruffini, G. Vereshchagin, S.-S. Xue // Physics Reports. - 2010. - Vol. 487. - P. 1-140).
На фиг. 6 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации позитронов с энергией, соответствующей реакции обратного бета-распада, в GAGG и ПВТ. Результаты моделирования показывают, что 90% позитронов, рожденных в ходе взаимодействия реакторных антинейтрино с протонами, термализуется в ПВТ толщиной 15 мм, а средняя глубина термализации в ПВТ равна около 6 мм. Для GAGG 90% термализуются в слое толщиной до 2 мм, а средняя глубина термализации соответствует толщине GAGG 0,35 мм. В ходе регистрации антинейтрино часть рожденных позитронов может не полностью термализоваться в толще органического сцинтиллятора, а завершить термализацию в слое неорганического сцинтиллятора, в котором будет регистрироваться аннигиляционный гамма-квант. В таких случаях при формировании мгновенного сигнала к энергии аннигиляционного гамма-кванта будет добавлена оставшаяся часть кинетической энергии позитрона, которую он высвободит в слое неорганического сцинтиллятора. Для учета этого факта при формировании энергетических ворот схемы совпадений регистрации аннигиляционных гамма-квантов и/или ионизационных потерь энергии позитрона необходимо расширить правую границу окна - до 3000 кэВ.
22
22
22
3
22
22
4
3
12
Для проверки эффекта влияния остаточной энергии позитронов на регистрируемый сигнал аннигиляционных гамма-квантов было выполнено экспериментальное измерение гамма-спектров от источника позитронов Na. Источник Na испускает позитроны с граничной энергией 545,6 кэВ и средней энергией 180 кэВ. На фиг. 7 представлен бета-спектр позитронов, испускаемых источником Na. Для измерения влияния остаточной энергии позитронов на регистрируемый спектр аннигиляционных гамма-квантов был использован кристалл ортогерманата висмута BiGeO (BGO) 10×10×10 мм, помещенный на входное окно ФЭУ Photonis ХР2020 через иммерсионную смазку, в качестве которой использовалось вазелиновое масло. Кристалл был обернут диффузным белым отражателем, в качестве которого использовалась пленка фторопласта. Точечный источник Na типа ОСГИ-Р размещался на верхней грани кристалла BGO, положение источника центрировалось относительно верхней грани. Толщина отражателя на боковых гранях кристалла составляла 0,45 мм, на верхней грани - 0,15 мм. Измерения выполнялись как с использованием алюминиевого поглотителя толщиной 1,2 мм, размещаемого между источником позитронов и кристаллом BGO, так и без поглотителя. При использовании алюминиевого поглотителя позитроны с энергией 545,6 кэВ термализуются в алюминии на средней глубине ~0,6 мм. Толщина поглотителя выбиралась с точки зрения баланса: максимизация доли термализованных позитронов и минимизация вероятности комптоновского рассеивания аннигиляционного гамма-кванта в алюминии. На фиг. 8 представлены полученные гамма-спектры от источника Na, зарегистрированные в кристалле BGO при наличие алюминиевого поглотителя между источником и кристаллом и без него. Как видно из полученных спектров, часть кинетической энергии позитронов передается в сцинтиллятор, что приводит к смещению пика полного поглощения аннигиляционных квантов 511 кэВ, а также увеличению его ширины за счет разброса кинетической энергии позитронов в соответствии с их бета-спектром.
1
all
all
1
2
2
Дополнительная селекция событий осуществляется на основе пространственной селекции областей локализации мгновенных и задержанных событий. На фиг. 11 представлена зависимость максимального угла вылета нейтрона относительно направления первичного антинейтрино при реакции обратного бета-распада, согласно которой максимальный угол вылета нейтронов относительно реакторных антинейтрино с энергией 10 МэВ при реакции обратного бета-распада на протонах не превышает 60° (Angular distribution of the reaction  / P. Vogel, J.F. Beacom // Phys.Rev. D. - 1999. - Vol. 60. - P. 053003). Тогда фактор подавления фоновых процессов может быть оценен как отношение телесного угла полной сферы (4π) к телесному углу, в который вылетает нейтрон: площадь сферического сегмента с вершиной при угле θ и радиусом сферы R равен S=2πR(1-cosθ), площадь всей сферы S=4πR, степень подавления есть отношение K=S/S=2/(1-cosθ). Исходя из фиг. 11, для граничной энергии антинейтрино, при которой уже возможна реакция обратного бета-распада, максимальный угол вылета нейтрона составляет ~15°, что дает K=60, а для максимальной энергии антинейтрино 10 МэВ - K=4.
Осуществление амплитудной селекции полезных событий.
Для подавления естественного гамма-фона, регистрируемого неорганическим сцинтиллятором, предложено использовать амплитудную селекцию мгновенных сигналов от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов: регистрация одновременных импульсов в соседних слоях неорганического сцинтиллятора в режиме совпадений. Для реализации режима совпадений предлагается регистрировать синхронные мгновенные сигналы в энергетическом окне с верхним порогом до 3000 кэВ. Ширина энергетического окна, в рамках которого будет производиться амплитудная селекция, влияет на степень подавления скорости счета случайных совпадений.
3
137
Для оценки степени подавления естественного гамма-фона за счет такой амплитудной селекции были выполнены измерения скорости счета фоновых импульсов в окнах 100-3000 кэВ, 200-3000 кэВ, 400-3000 кэВ и под всем спектром в окне 30-3000 кэВ. Для измерений фона использовался образец кристалла GAGG 10×10×10 мм, обернутый фторопластовой пленкой, которая служила диффузным белым отражателем. Измерения выполнялись с использованием ФЭУ Photonis ХР2020, кристалл помещался в центре входного окна ФЭУ через иммерсионную смазку, в качестве которой использовалось вазелиновое масло. На фиг. 9 представлен измеренный фоновый спектр, полученный от кристалла GAGG. Энергетическая калибровка шкалы энергий проводилась по гамма-квантам 662 кэВ от источника Cs типа ОСГИ-Р. На основе полученных данных установлены следующие степени подавления скорости счета фоновых случайных совпадений:
- В окне 100-3000 кэВ - в 1,52 раза.
- В окне 200-3000 кэВ - в 3,76 раза.
- В окне 400-3000 кэВ - в 11,07 раза.
В качестве дополнительной амплитудной селекции предлагается использовать триггер на величину поглощенной во всех сегментах неорганического сцинтиллятора энергии каскадных гамма-квантов, испускаемых ядрами Gd после поглощения термализованных нейтронов. Для оценки порога формирования триггера было выполнено компьютерное моделирование в пакете программ GEANT4 процессов передачи энергии от каскадных гамма-квантов слоям неорганического сцинтиллятора. Геометрия модели представляла собой вложенные шаровые сегменты GAGG и ПВТ с толщинами сегментов 10 мм. В центре геометрии помещался источник нейтронов со спектром испускания, соответствующим нейтронам, рожденным в ходе реакции обратного бета-распада при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами (см. фиг. 3). При моделировании для каждого вложенного слоя GAGG и ПВТ определялась величина поглощенной в слое энергии. На фиг. 10 представлены полученные в ходе моделирования распределения поглощенной энергии в последовательности чередующихся слоев GAGG и ПВТ толщиной 10 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду. По результатам расчетов в слоях GAGG поглощается около 88% суммарной энергии каскадных гамма-квантов (суммарная энергия составляет около 8 МэВ), остальная часть энергии поглощается в слоях органического сцинтиллятора. Таким образом, при использовании толщин слоев сцинтиллятора 10 мм, необходимый порог формирования триггера по полной поглощенной энергии задержанного события должен составлять от 5 МэВ и до 10 МэВ (выше граничной энергии каскадных квантов задержанных событий). Указанное энергетическое окно лежит за пределами границы фонового гамма-спектра (около 3 МэВ), что позволяет дополнительно подавить влияние фонового излучения.
Для подавления скорости счета случайных совпадений с фоновыми сигналами при регистрации аннигиляционных гамма-квантов они регистрируются в сегментах неорганического сцинтиллятора в режиме совпадений. При этом дополнительное энерговыделение в сегменте может дать сам позитрон до своей аннигиляции, если на пути к сегменту неорганического сцинтиллятора он не потерял свою кинетическую энергию. На фиг. 12 представлены рассчитанные (моделирование в GEANT4) зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции при толщине слоев ПВТ и GAGG по 10 мм. Полученные зависимости были рассчитаны для спектральных окон 100-3000 кэВ, 200-3000 кэВ, 400-3000 кэВ. При выборе ширины энергетического окна для использования режима совпадений регистрации позитрона по его аннигиляции нужно исходить из оптимизации соотношения двух конкурирующих процессов:
1) уменьшение ширины окна способствует подавлению скорости счета фоновых событий;
2) уменьшение ширины окна вызывает уменьшение вероятности регистрации мгновенного сигнала. Выбор ширины окна осуществляется по результатам анализа влияния линейных размеров элементов детектора на энерговыделение при формировании мгновенных сигналов.
Дополнительное вето служит для режекции сигналов частиц их космического излучения, прежде всего - мюонов. Отбор формируется по совпадающим сигналам, генерируемым слоями органического сцинтиллятора при прохождении через них частиц космических лучей. Совпадение сигналов в двух и более слоях органического сцинтиллятора означает прохождение через слои частица космического излучения с высокой проникающей способностью, такой сигнал отбраковывается.
Пример 1.
3
2
Пример конструкции устройства для реализации предложенного способа состоит из сегментированных слоев детектора на основе GAGG в виде пластин, в которых размеры сегментов составляют 30×30×10 мм, на торце 30×10 мм сегмента размещен фотоприемник на основе полупроводникового прибора. Слои неорганического сцинтиллятора разделены слоями органического сцинтиллятора ПВТ толщиной 100 мм. На фиг. 13 представлены рассчитанные (моделирование в GEANT4) распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 100 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду (см. фиг. 3). По результатам расчетов доля совокупного энерговыделения каскадных гамма-квантов, оставляющих свою энергию в слоях GAGG, при поглощении нейтрона от реакции обратного бета-распада составит 48.7% от полного энерговыделения, равного 5-8 МэВ. Снижение амплитуды задержанных сигналов негативно скажется на селекции полезных событий, т.к. увеличится влияние фона естественных гамма-излучающих радионуклидов. На фиг. 16 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 100 мм, GAGG 10 мм. Повышенная толщина ПВТ приводит к увеличению комптоновского рассеивания и поглощения аннигиляционных гамма-квантов, что негативно сказывается на вероятности их регистрации методом совпадений в GAGG.
Пример 2.
3
2
Пример конструкции устройства для реализации предложенного способа состоит из сегментированных слоев детектора на основе GAGG в виде пластин, в которых размеры сегментов составляют 30×30×10 мм, на торце 30×10 мм сегмента размещен фотоприемник на основе полупроводникового прибора. Слои неорганического сцинтиллятора разделены слоями органического сцинтиллятора ПВТ толщиной 5 мм. На фиг. 14 представлены рассчитанные (моделирование в GEANT4) распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 5 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду. По результатам расчетов доля совокупного энерговыделения каскадных гамма-квантов в слоях GAGG при поглощении нейтрона от реакции обратного бета-распада составит 93.1% от полного энерговыделения каскадных гамма-квантов в слоях GAGG, равного 5-8 МэВ. На фиг. 17 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 5 мм, GAGG 10 мм. Увеличение доли GAGG в объеме детектора повышает вероятность регистрации позитронов, но уменьшение толщины ПВТ ухудшает условия термализации нейтронов, что, в свою очередь, ухудшает локализацию задержанного сигнала.
Пример 3.
2+
3
2
3
12
Пример конструкции устройства для реализации предложенного способа состоит из сегментированных слоев детектора на основе гадолиний-содержащего сцинтиллятора в виде пластин с размерами 30×10×500 мм, с размещенными на торцах фотоприемниками на основе полупроводникового прибора. Схематический рисунок одного сегмента представлен на фиг. 15. Сегменты неорганического сцинтиллятора с двойным трактом регистрации образуют слои, разделенные сплошными слоями органического сцинтиллятора на основе поливинилтолуола (ПВТ). Пространственная селекция событий осуществляется в сегментах неорганического сцинтиллятора путем вычисления задержки времени прихода сцинтилляционных фотонов на фотоприемники, размещенные на боковых гранях, из которой вычисляется продольная координата области первоначального энерговыделения в сегменте. Временное разрешение кристаллов GAGG в режиме совпадений для аннигиляционных гамма-квантов 511 кэВ Δt<250 пс (Effect of Mg ions co-doping on timing performance and radiationtolerance of Cerium doped GdAlGaO crystals / M.T. Lucchini [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2016. - Vol. 816. - P. 176-183), (A PET detector prototype based on digital SiPMs and GAGG scintillators / F. R. Schneider [et al.] // Phys. Med. Biol. - 2015. - Vol. 60. - P. 1667-1679) и, учитывая скорость распространения света v=c/n в кристалле GAGG при показателе преломления n=1,85 для максимума спектра высвечивания сцинтилляций, можно оценить пространственное разрешение ΔL формирования сигнала как ΔL=Δt*c/n=40 мм.