КОЛЬЦЕВОЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ

3
Полезная модель относится к области регистрации и дозиметрии тепловых нейтронов. Масштабируемость детектора по размерам и простота эксплуатации делают возможным его использование для персональной дозиметрической и таможенной практики, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля и радиационного мониторинга, для обнаружения и идентификации делящихся материалов. Технические параметры детектора (размеры, эффективность регистрации нейтронов) делают данный твердотельный детектор альтернативой существующим гелиевым детекторам, использующим изотоп Не.
Из существующего уровня техники известны детекторы тепловых нейтронов, в качестве которых наиболее распространены пропорциональные счетчики на основе гелия-3 [https://portal.slac.stanford.edu/sites/conf_public/nxd2012/presentations/VR_Neutron%20gas%20dets_Aug1_2012.pdf]. Простота устройства счетчиков наряду с высокой эффективностью регистрации нейтронов до 90% ставят данные счетчики вне конкуренции в детектировании нейтронов. Однако большой дефицит данного изотопа гелия и невозможность его получения в достаточном количестве в будущем стимулируют развитие других типов газовых или твердотельных детекторов. При организации кольцевого детектора из гелиевых счетчиков детектор имеет мертвые зоны исходя из конструкции самих счетчиков.
Одним из вариантов замещения гелиевых счетчиков является создание твердотельных детекторов на основе различных сцинтилляторов [http://large.stanford.edu/courses/2012/ph241/lam1/docs/PNNL-18388.pelf].
Известны детекторы нейтронов [T.K. McKnight et al. The flexible embedded-fiber neutron detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 586 (2008) pp. 246-250; E.S. Kuzmin et al. A Raster Thermal-Neutron Scintillation Multidetector of Modular Type. Instruments and Experimental Techniques, 2008, Vol. 51, No. 5, pp. 639-646], использующие сцинтилляционные экраны ZnS(Ag)/LiF с вклеенными спектросмещающими оптическими волокнами. Съем света с волокон осуществляется фотоэлектронными умножителями. Поскольку эффективность захвата и последующего переизлучения света волокном составляет около 4%, полученные амплитуды сигналов составляют единицы фотоэлектронов, что требует использования в качестве фотодетекторов объемных и дорогостоящих фотоэлектронных умножителей, а также высоковольтных источников питания. Технологическая сложность изготовления, стоимость и размеры таких детекторов, низкая эффективность делают проблематичным их использование в прикладных областях, в частности в персональной дозиметрии.
5
В то же время, сам сцинтиллятор ZnS(Ag)/LiF представляет особый интерес благодаря большому световыходу (1.6×10 фотонов/нейтрон), нечувствительности к гамма-излучению и относительной дешевизне. В то же время, непрозрачность ZnS(Ag)/LiF затрудняет съем сигнала с сцинтиллятора и снижает эффективность регистрации. Как правило, свет из сцинтиллятора регистрируется непосредственно через оптический контакт фотоэлектронным усилителем, ФЭУ, либо с использованием оптических волокон, приклеенных к сцинтиллятору.
Также известен детектор тепловых нейтронов [В.Н. Марин, Р.А. Садыков, Д.Н. Трунов, B.C. Литвин, С.Н. Аксенов, А.А. Столяров. Новый тип сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов на основе ZnS(Ag)/LiF и лавинных фотодиодов. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 18, сс. 96-100], содержащий плоский оптический световод, два сцинтилляционных экрана ZnS(Ag)/LiF, расположенных на противоположных сторонах плоского оптического световода, светособирающие элементы и фотодетекторы в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), каждый из которых оптически связан с соответствующим светособирающим элементом, фотодетекторы со светособирающими элементами размещены по поверхности плоского оптического световода, светособирающие элементы выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода, а фотодетекторы размещены с оптическим контактом на плоской поверхности светособирающих элементов. Полученный в результате поглощения нейтрона, свет из сцинтиллятора попадает в плоский световод и за счет многократного отражения на границе сцинтиллятор-световод распределяется вдоль световода. Большой световой выход сцинтиллятора, высокая квантовая эффективность фотодиодов и прямая (без переизлучения) транспортировка света к фотодетекторам обеспечивают выделение сигнала на уровне тепловых шумов фотодиодов. Однако эффективность регистрации зависит от длины или площади оптического световода. Для длинного или большеразмерного световода становится затруднительным выделение сигналов от нейтронов на фоне тепловых шумов фотодиодов из-за значительного светопоглощения в световоде. Создание же сплошного кольцевого детектора с такими сцинтилляционными экранами технологически сложно, так как ZnS(Ag)/LiF представляет собой хрупкий керамический материал.
Таким образом, известные технические решения имеют ограниченные функциональные возможности.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей детектора тепловых нейтронов за счет увеличения числа фотодетекторов, улучшения светосбора от сцинтиллятора и повышения эффективности регистрации за счет исключения мертвых зон в кольцевом детекторе, увеличения активной площади и возможности масштабирования детектора по размерам, возможности съема позиционно-чувствительной информации с большой площади.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является увеличение эффективности регистрации за счет увеличения числа фотодетекторов, размещения их вдоль кольцевого световода и исключения мертвых зон в кольцевом детекторе.
Указанный технический результат достигается тем, что в детекторе тепловых нейтронов, содержащем плоский оптический световод с двумя сцинтилляционными экранами ZnS(Ag)/LiF, расположенными на его противоположных сторонах, и светособирающими элементами с оптически связанными с ними фотодетекторами в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), размещенными по его поверхности, светособирающие элементы выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода, а фотодетекторы размещены с оптическим контактом на плоской поверхности светособирающих элементов. Детектор выполнен в виде кольца из бор-содержащего материала и содержит несколько плоских оптических световодов, выполненных в виде пластин трапецеидальной формы и размещенных в виде кольца на поверхности детектора с оптическим контактом друг с другом торцевыми гранями, при этом количество и размеры световодов достаточны для образования замкнутого кольца. В качестве бор-содержащего материала может быть использован борированный полиэтилен, а оптические световоды могут быть выполнены трапецеидальной формы в продольном или в горизонтальном сечении.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема оптического световода, где:
1 - плоский оптический световод,
2 - сцинтилляционные экраны ZnS(Ag)/LiF,
3 - светособирающие элементы,
4 - фотодетекторы,
5 - кроссплата.
На фиг. 2 показана схема кольцевого детектора тепловых нейтронов для изучения рассеяния на угол 90°: а - вид спереди, б - поперечный разрез, в - сочленение двух плоских оптических световодов с продольным сечением трапецеидальной формы, где:
1 - плоский оптический световод,
6 - кольцо из бор-содержащего материала.
На фиг. 3 показана схема кольцевого детектора тепловых нейтронов для изучения дифракции на малые и большие углы: а - вид спереди, б - поперечный разрез, в - сочленение двух плоских оптических световодов с горизонтальным сечением трапецеидальной формы, где.
1 - плоский оптический световод,
6 - кольцо из бор-содержащего материала.
252
На фиг. 4 показан амплитудный спектр с фотодетекторов кольцевого детектора тепловых нейтронов при облучении детектора нейтронным источником Cf с полиэтиленовым замедлителем.
Детектор тепловых нейтронов включает плоский оптический световод 1, два сцинтилляционных экрана (2) ZnS(Ag)/LiF, расположенных на противоположных сторонах плоского оптического световода 1, светособирающие элементы 3 и фотодетекторы 4 в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), каждый из которых оптически связан с соответствующим светособирающим элементом 3. Фото детекторы 4 со светособирающими элементами 3 размещены по поверхности плоского оптического световода 1. При этом фотодетекторы могут быть размещены на кроссплате 5. Светособирающие элементы 3 выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода 1, а фотодетекторы 4 размещены с оптическим контактом с плоской поверхностью светособирающих элементов 3. Детектор выполнен в виде кольца 6 из бор-содержащего материала и содержит несколько плоских оптических световодов 1, выполненных в виде пластин трапецеидальной формы в продольном или в горизонтальном сечении и размещенных в виде кольца на поверхности детектора с оптическим контактом друг с другом торцевыми гранями. При этом количество и размеры световодов 1 достаточны для образования замкнутого кольца. В качестве бор-содержащего материала может быть использован борированный полиэтилен.
Устройство работает следующим образом.
Свет, излученный в процессе захвата нейтрона в сцинтилляторе 2, попадает в плоский оптический световод 1 и за счет многократного отражения на границе сцинтиллятор-световод транспортируется вдоль световода к светособирающим элементам 3 и фото детекторам 4, где происходит преобразование светового сигнала в электрический. При этом сцинтиллятор 2 выполняет дополнительную функцию диффузионного отражателя. Высокий световыход сцинтиллятора ZnS(Ag)/LiF, высокая квантовая эффективность фотодетекторов - кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов) и применение технологии «рыбий глаз» (использование полусферической линзы) при светособирании с плоского световода обеспечивают амплитуду сигналов с фотодетекторов на уровне 100-150 фотоэлектронов. При этом в качестве расстояния между светособирающими элементами выбирают расстояние, при котором амплитуда сигналов с фотодетекторов при данном светопоглощении световода превышает темновой шум фотодетекторов.
Сцинтиллятор ZnS(Ag)/LiF представляет собой керамическую тонкую пластину. При этом это очень хрупкая керамика. Ее сложно разрезать по прямым линиям и трудно согнуть. Поэтому гораздо технологичнее использовать прямые короткие плоские оптические световоды 1 с двумя также прямыми короткими сцинтилляционными экранами 2 для создания кольцевой или другой поверхности. Оптические световоды 1 могут быть выполнены трапецеидальной формы в продольном или в горизонтальном сечении для различных вариантов выполнения детектора. Так для регистрации нейтронов, например, под углом рассеяния 90° (рис. 2) оптический контакт световодов 1 происходит по торцевым граням. При этом боковые грани выполнены трапецеидальной формы, а верхние и нижние грани - прямоугольной, т.е. оптические световоды выполнены в продольном сечении трапецеидальной формы. При для регистрации нейтронов на малых и больших углах (рис. 3) оптический контакт световодов 1 также происходит по торцевым граням. Но при этом боковые грани выполнены прямоугольной формы, а верхние и нижние грани - трапецеидальной, т.е. в этом случае оптические световоды выполнены в горизонтальном сечении трапецеидальной формы. Количество и размеры световодов 1 выбирают с условием их размещения по поверхности детектора 6 в виде замкнутого кольца. При таком расположении оптических световодов 1 с оптическим контактом друг с другом эффективная длина и ширина детектора совпадает с его геометрической длиной и шириной. Это означает, что из таких световодов можно собирать кольцевые или длинные детекторы без зазоров между ними, то есть без мертвых зон. Данное выполнение кольцевого детектора позволяет получить выигрыш в 25% по эффективности за счет увеличения числа фотодетекторов, размещения их вдоль кольцевого световода и исключения мертвых зон в кольцевом детекторе. Это важно при работе на слабых источниках нейтронов для увеличения набора статистики.
Кольцо 6 из бор-содержащего материала выполняет одновременно роль защиты от попадания в сцинтиллятор нейтронов с внешней стороны и служит в качестве основы для размещения в виде кольца плоских оптических световодов 1. Бор-содержащий материал, например, борированный полиэтилен, переводит быстрые нейтроны в тепловые и бор взаимодействует с тепловыми нейтронами. Так как у бора эффективность захвата нейтрона 100% то «все» внешние нейтроны останавливаются в кольце 6.
252
На фиг. 4 показан амплитудный спектр с фотодетекторов кольцевого детектора тепловых нейтронов при облучении детектора нейтронами нейтронного источника Cf через полиэтиленовый замедлитель. Порог соответствует 50 отсчетом шкалы, что соответствует 15 фотоэлектронам, а пик соответствует 150 фотоэлектронам.
Подавление шумов детектора осуществляется за счет высокого порога регистрации и временного совпадения сигналов двух соседних фотодетекторов. Высокая эффективность светособирания позволяет использовать сцинтилляционные экраны ZnS(Ag)/LiF с повышенной концентрацией поглотителя нейтронов LiF и обеспечить эффективность регистрации нейтронов для двух слоев сцинтиллятора порядка 70%. Этот счетчик полностью заменяет собой гелиевый счетчик высокого давления по эффективности.
Основными преимуществами заявляемого детектора являются: высокая эффективность регистрации нейтронов, нечувствительность к гамма-фону, отсутствие тепловых шумов до температуры +30°С, компактность и возможность масштабируемости детектора по размерам от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; низкое энергопотребление и низкое напряжение питания, позволяющие использовать стандартные автономные источники питания; технологическая простота изготовления; низкая стоимость элементов детектора.
Таким образом, использование настоящего технического решения существенно расширяет функциональные возможности детектора тепловых нейтронов за счет увеличения числа фотодетекторов, улучшения светосбора от сцинтиллятора и повышения эффективности регистрации за счет исключения мертвых зон в кольцевом детекторе, увеличения активной площади и возможности масштабирования детектора по размерам и возможности съема позиционно-чувствительной информации с большой площади. Данные преимущества позволяют использовать заявляемый детектор для персональной дозиметрической и таможенной практики, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля и радиационного мониторинга, для обнаружения и идентификации делящихся материалов.