КОМБИНИРОВАННЫЙ СПЕКТРОМЕТР-МОНИТОР ПОТОКА НЕЙТРОНОВ

Полезная модель относится к области измерения ядерных излучений и может быть использована для одновременной спектрометрии и мониторинга потоков нейтронов в условиях фона гамма-излучения.
Известен спектрометр быстрых нейтронов, состоящий из органического сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) [1] и спектрометрического блока обработки информации с разделением сигналов по форме импульса. В сцинтилляторе при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода образуются протоны отдачи, которые при торможении в сцинтилляторе создают световое излучение, регистрируемое ФЭУ. Проблема исключения влияния гамма-фона решается способом дискриминации гамма-фона по форме импульса.
Недостатком таких спектрометров является невозможность регистрации нейтронов с энергий меньше 0,5 МэВ, что связано с резким снижением световыхода при уменьшении энергии протона отдачи, которая зависит от энергии нейтрона.
Известен монитор потока нейтронов, в котором нейтроны замедляются в водородосодержащих замедлителях до тепловых энергий и регистрируются детектором тепловых нейтронов [2]. Такой монитор измеряет потоки нейтронов в широком диапазоне энергий - от быстрых до тепловых.
Недостатком данного аналога является то, что спектрометрия потоков нейтронов с хорошим энергетическим разрешением в таких устройствах невозможна.
10
10
7
10
Наиболее близким к предложенному в данной заявке устройству является нейтронный спектрометр [3] (прототип), содержащий борорганический сцинтиллятор (органический сцинтиллятор с добавками изотопа бора B), ФЭУ и амплитудно-временной анализатор. В сцинтилляторе быстрые нейтроны испытывают многократное упругое рассеяние на ядрах водорода с испусканием светового излучения до тех пор, пока их энергия не достигнет тепловых значений. Тепловые нейтроны вступают в реакцию B(n,α)Li с образованием заряженных частиц, приводящей к световому излучению. Одновременная регистрация амплитудно-временным анализатором сигналов от упругого рассеяния быстрых нейтронов в сцинтилляторе и захвата теплового нейтрона ядром бора в заданном временном окне является признаком поглощения нейтрона, передавшего всю свою энергию сцинтиллятору. Хотя такие сцинтилляторы могут регистрировать нейтроны низких и средних энергий при их замедлении в сцинтилляторе до тепловых энергий и захвате ядрами изотопа бора B, сигналы при поглощении фоновых гамма-квантов в сцинтилляторе практически невозможно дискриминировать от сигналов при поглощении нейтронов.
Поэтому недостатком прототипа является невозможность одновременной спектрометрии и мониторинга потока нейтронов в условиях высокого гамма-фона.
Техническим результатом заявленного предложения является возможность одновременной спектрометрии и мониторинга потока нейтронов в условиях высокого гамма-фона.
Технический результат достигается тем, что комбинированный спектрометр-монитор потока нейтронов, содержащий детектор быстрых нейтронов имеющий в своем составе сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), и амплитудно-временной анализатор, сцинтиллятор сделан из пластмассы, дополнительно вплотную к детектору быстрых нейтронов со стороны противоположной нейтронному потоку присоединен детектор тепловых нейтронов с низкой чувствительностью к гамма-излучению, амплитудно-временной анализатор содержит блок счета сигналов, блок измерения заряда сигнала, блок совпадений, блок регистрации спектра, детектор тепловых нейтронов присоединен к блоку счета сигналов, ФЭУ детектора быстрых нейтронов присоединен к блоку измерения заряда сигнала, блок совпадений соединен с блоком счета сигналов и блоком измерения заряда сигнала, блок совпадений соединен с блоком регистрации спектра.
В предлагаемом устройстве определение энергии (спектрометрию) нейтронов осуществляют по переданной энергии протонам отдачи в пластмассовом сцинтилляторе, а одновременная регистрация тепловых нейтронов в заданном временном окне является признаком того, что нейтрон практически всю свою энергию передал протонам отдачи. Пластмассовый сцинтиллятор также является замедлителем нейтронов, в котором нейтроны замедляются до тепловых энергий, а образующиеся тепловые нейтроны регистрируются детектором тепловых нейтронов, поэтому предполагаемое устройство может служить нейтронным монитором. Детектор тепловых нейтронов имеет низкую чувствительность к гамма-квантам, а поскольку регистрация быстрых нейтронов происходит только при условии одновременной регистрации тепловых нейтронов в узком временном окне, предполагаемое устройство может работать в условиях фона гамма-излучения.
Сущность полезной модели поясняется на Фиг. 1, 2 и 3.
На Фиг. 1 приведена блок-схема эскиз предлагаемого устройства.
На Фиг 2 приведена блок схема экспериментальной модели предлагаемого устройства с примером выполнения детектора тепловых нейтронов и амплитудно-временного анализатора.
252
На Фиг. 3 приведен измеренный спектр нейтронов источника Cf. По оси абсцисс отложена энергия в МэВ, по оси ординат - количество отсчетов в относительных единицах. Выносными линиями обозначены аппаратный спектр, расчетный спектр нейтронов и восстановленный спектр нейтронов.
Позициями на иллюстрациях обозначены:
1 - детектор быстрых нейтронов,
2 - пластмассовый сцинтиллятор,
3 - ФЭУ,
4 - детектор тепловых нейтронов,
5 - сцинтилляционный экран,
6 - амплитудно-временной анализатор,
7 - блок измерения заряда сигнала,
8 - блок счета сигналов,
9 - блок совпадений,
10 - блок регистрации спектра,
11 - интегральный дискриминатор,
12 - одновибратор,
13 - программируемая логическая интегральная схема,
14 - аналого-цифровой преобразователь,
15 - интегральный дискриминатор,
16 - одновибратор,
17 - ЭВМ,
18 - цифроаналоговый преобразователь,
19 - микроконтроллер.
Устройство содержит детектор 1 быстрых нейтронов, состоящий из пластмассового сцинтиллятора 2 и ФЭУ 3, детектор 4 тепловых нейтронов, расположенный вплотную к пластмассовому сцинтиллятору 2 со стороны противоположной нейтронному потоку, амплитудно-временной анализатор 6, имеющий блок 7 измерения заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов, блок 8 счета сигналов с детектора 4 тепловых нейтронов, блок 9 совпадений, блок 10 регистрации спектра.
Устройство работает следующим образом.
При попадании быстрого нейтрона в пластмассовый сцинтиллятор 2 в результате столкновений с ядрами водорода (протонами) часть энергии нейтрона передается протонам, которые за счет ионизационных потерь создают оптическое излучение в пластмассовом сцинтилляторе 2. ФЭУ 3 преобразует оптическое излучение в электрический сигнал с детектора 1 быстрых нейтронов, заряд которого зависит от энергии, потерянной нейтроном в пластмассовом сцинтилляторе 2. Этот сигнал идет в блок 7 измерения заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов. Часть быстрых нейтронов нейтронного потока теряет полностью энергию в пластмассовом сцинтилляторе 2 и замедляется до тепловой энергии. При регистрации образующихся тепловых нейтронов детектором 4 формируется сигнал, идущий в блок 8 счета сигналов с детектора 4 тепловых нейтронов. Время замедления быстрого нейтрона в пластмассовом сцинтилляторе 2 до тепловой энергии τ зависит от размера пластмассового сцинтиллятора 2 и составляет несколько мкс - десятков мкс. Блок 9 совпадений передает измеренное значение заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов из блока 7 измерения заряда сигнала в блок 10 регистрации спектра при одновременном появлении сигналов с детектора 1 быстрых и детектора 4 тепловых нейтронов в течении времени порядка τ. Одновременная регистрация сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов и детектора 4 тепловых нейтронов означает, что значение заряда сигнала, поступившего в блок 10 регистрации спектра, соответствует начальной энергии быстрого нейтрона, поскольку энергия быстрого нейтрона полностью поглотилась в пластмассовом сцинтилляторе 2. В качестве детектора 4 тепловых нейтронов выбирается детектор малочувствительный к гамма-излучению, например, на основе полупроводникового детектора с тонким чувствительным слоем или тонкого сцинтиллятора с добавками бора или лития [2]. Поскольку значение заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов передается в блок 10 регистрации спектра только в совпадении с сигналом с детектора 4 тепловых нейтронов в узком временном диапазоне, вероятность регистрации ложного сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов при попадании фоновых гамма-квантов мала.
Нейтронный поток падает со стороны пластмассового сцинтиллятора 2. Нейтроны, проходя через пластмассовый сцинтиллятор 2, замедляются до тепловых скоростей и регистрируются детектором 4 тепловых нейтронов, сигналы с которого поступают в блок 8 счета сигналов. При этом регистрируются нейтроны всех энергий от быстрых до тепловых, таким образом, производится мониторинг потока нейтронов.
6
Эскиз экспериментальной модели для осуществления предложенного устройства представлен на Фиг. 2. Детектор 1 быстрых нейтронов состоит из сцинтиллятора 2, который изготовлен из полистирола размером ⌀74×30 мм и имеет оптический контакт с ФЭУ 3 типа ФЭУ-56. Детектор 4 тепловых нейтронов состоит из сцинтилляционного экрана 5, сделанного из материала LiF/ZnS(Ag) диаметром 60 мм и толщиной 1 мм и ФЭУ 3, например типа ФЭУ-56, состыкованным с экраном 5. Сигнал с детектора 1 быстрых нейтронов проходит интегральный дискриминатор 11 и одновибратор 12, вырабатывающий импульсы стандартной длительности и амплитуды. При поступлении этих импульсов в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 13 формируется временное окно длительностью 50 мкс для регистрации сигнала с детектора 4 тепловых нейтронов. В качестве блока 7 измерения заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов используется конвейерный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, подключенный к ПЛИС 13. Измерение заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов осуществляется путем сложения выборок АЦП 14 в ПЛИС 13 и записывается в память ПЛИС 13 в виде спектра, таким образом, АЦП 14 и ПЛИС 13 выполняют функции блока 10 регистрации спектра. Сигнал с детектора 4 тепловых нейтронов поступает на интегральный дискриминатор 15 и одновибратор 16, вырабатывающий импульсы стандартной длительности и амплитуды. Блок совпадений 9 реализуется на базе ПЛИС 13. Если импульс с одновибратора 16 попадает во временное окно, открытое сигналом от детектора 1 быстрых нейтронов, значение заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов передается в ЭВМ 17. Если в течение временного окна (50 мкс) сигнал с детектора 4 тепловых нейтронов не поступил, значение заряда сигнала с детектора 1 быстрых нейтронов обнуляется.
ПЛИС 13 осуществляет счет сигналов с одновибратора 12, выполняя функции блока 8 счета сигналов с детектора 4 тепловых нейтронов для мониторинга нейтронного потока.
Установка порога дискриминации интегральных дискриминаторов 11 и 15 осуществляется цифроаналоговым преобразователем 18. Управление и передача данных в ЭВМ 17 осуществляется по магистрали USB с помощью микроконтроллера 19.
Измеряемый аппаратный спектр F(E) с детектора 1 быстрых нейтронов зависит от спектра нейтронов (φ(E) и может быть определен выражением [4]:
пор
max
252
Здесь ε(E) - эффективность регистрации детектором нейтрона, замедлившегося до тепловых энергий, G(E′,E) - функция отклика детектора (спектральное распределение сигналов детектора от моноэнергетических нейтронов с энергией E′), E и E - пороговая и максимальная энергия нейтрона. Были проведены измерения спектра потока нейтронов 8 источника спонтанного деления Cf, который хорошо описывается функцией вида [5]:
0
где B - коэффициент пропорциональности, E=1,43 МэВ.
Восстановление спектра нейтронов по измеряемому аппаратному спектру осуществлялось методом направленного расхождения [6]. На Фиг. 3 показан аппаратный спектр с детектора 1 быстрых нейтронов, восстановленный спектр нейтронов и спектр нейтронов, рассчитанный по формуле (2). Видно хорошее соответствие расчетного и измеренного спектра нейтронов.
252
60
252
252
Измерения с источником нейтронов Cf показали, что эффективность регистрации по счетному каналу нейтронов деления экспериментальной модели предлагаемого устройства равна около 9%, что позволяет его использовать в качестве монитора нейтронного потока. Для определения чувствительности экспериментальной модели к гамма-излучению проводили ее облучение гамма-излучением от источника Co при измерении спектра и мониторинга потока нейтронов. Измерения показали, что поскольку регистрация сигналов с детектора 1 быстрых нейтронов производится в совпадениях с сигналами с детектора 4 тепловых нейтронов в узком временном окне, поток гамма-квантов практически не влияет на результаты измерений спектра нейтронов источника Cf до мощности дозы 10 мкГр/ч. За счет низкой чувствительности детектора 4 тепловых нейтронов к гамма-квантам скорость счета нейтронов деления источника Cf счетным каналом не изменяется до мощности дозы 0,5 мГр/ч.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Кухтевич В.И., Трыков Л.А., Трыков О.А. Однокристальный сцинтилляционный спектрометр (с органическим фосфором). М.: Атомиздат, 1970, 119 с.
2. Райлли Д., Энсселин Н., Смит X. мл., Крайнер С.Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов, М.: Бином, 2000, 720 с.
3. Столярова Е.Л. Нейтронные спектрометры и их применение в прикладных задачах. М.: Атомиздат, 1968.
4. Ю.И. Колеватов, В.П. Семенов, Л.А. Трыков. Спектрометрия нейтронов и гамма-излучения в радиационной физике. М., Энергоатомиздат 1990, 296 с.
5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. И.К. Кикоина, - М.: Мир, 1976, - 1008 с.
6. Тараско М.З. Крамер-Агеев Е.А. Тихонов Е.Б. Применение метода направленного расхождения для восстановления спектра быстрых нейтронов. В кн.: «Вопросы дозиметрии и защиты от излучений». Вып. 11. М. Атомиздат 1970, с. 125-133.