СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ НЕЙТРОННОГО ПУЧКА (ПУЧКОВ)
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF NEUTRON BEAM(S) PROFILE

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей и может быть использовано для измерения пространственного распределения потоков нейтронов, а также для измерений профиля пучка (пучков) меченых нейтронов.
Известен способ определения координаты X и Y точек пересечения осей каждого из меченых пучков нейтронов на определенных расстояниях от источника нейтронов с плоскостью, перпендикулярной направлению меченых пучков нейтронов (прототип) с помощью устройства [1, 2] для измерения распределения меченых нейтронов в плоскости, перпендикулярной направлению распространения нейтронного потока, содержащего: сцинтилляционный стриповый профилометр; регистрирующую электронику сбора и предварительного анализа сигналов со стрипов сцинтилляционного профилометра и с пикселей альфа-детектора, установленного вблизи нейтронного источника; блоков питания профилометра и регистрирующей электроники, при этом в качестве источника меченых нейтронов используется портативный нейтронный генератор НГ (мечение нейтронов осуществляется с помощью многопиксельного кремниевого альфа-детектора, регистрирующего альфа-частицы, образующиеся в реакции dt-альфа+n (14.1 МэВ), вылетающие из тритиевой мишени в направлении, противоположном направлению вылета нейтрона и расположенного внутри НГ). При этом угловое распределение нейтронов практически изотропно в телесном угле 4π, поэтому число меченых пучков нейтронов определяется числом пикселей альфа-детектора, расположенного внутри НГ. Используя совпадение сигналов с определенного пикселя альфа-детектора НГ и с одного из стрипов сцинтилляционного профилометра (если стрипы профилометра расположены вдоль осей X и Y плоскости, перпендикулярной к направлению нейтронного пучка, то в дальнейшем они будут называться X- и Y-стрипами, соответственно), мы получаем информацию о профиле каждого из меченых пучков нейтронов вдоль осей X и Y (информация о распределении пучков меченых нейтронов вдоль осей X и Y извлекается из анализа данных, полученных в измерениях с профилометром в двух его взаимно-перпендикулярных положениях сцинтилляционных стрипов относительно направления меченого пучка нейтронов). Проводя измерения на двух различных расстояниях от источника нейтронов, измеряются координаты X и Y точек пересечения осей каждого из меченых пучков нейтронов на данных расстояниях с плоскостью, перпендикулярной направлению меченых пучков нейтронов.
14
12
Способ измерения профиля нейтронного пучка можно описать, ссылаясь на принцип работы профилометра-прототипа, который состоит из многоанодного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), стрипов прямоугольной формы из пластического сцинтиллятора, светоизолированых друг от друга световодов (файберов), с помощью которых световая вспышка, возникающая в каком-либо стрипе профилометра в результате упругого рассеяния нейтрона на ядрах водорода, входящего в состав пластического сцинтиллятора (СН), передается на соответствующий анод многоанодного ФЭУ.
Сигналы с выхода ФЭУ с определенной амплитудой, соответствующей определенному номеру сработавшего стрипа, в котором произошло взаимодействие нейтрона с веществом сцинтиллятора, подаются на блок регистрирующей электроники для анализа с целью установления номеров сработавших X- и отдельно Y-стрипов, а следовательно, и X и Y координат точек пересечения осей каждого из меченых нейтронных пучков с X-Y плоскостью профилометра.
Недостатками способа-прототипа являются следующие:
1. Для измерения распределения пучков нейтронов вдоль осей X и Y в плоскости, перпендикулярной направлению пучков меченых нейтронов, падающих на данную плоскость, необходимо выполнить два последовательных измерения с горизонтальным и вертикальным расположением сцинтилляционных стрипов профилометра, при этом требуется устройство, с помощью которого производится поворот плоскости сцинтилляционных стрипов профилометра на 90° относительно друг друга.
2. Получение регистрируемого электрического сигнала с каждого стрипа при взаимодействии нейтрона происходит в два этапа: энергия преобразуется в свет (сцинтиллятор), затем свет преобразуется в электрический сигнал (ФЭУ), при этом на каждом этапе преобразования возникает своя неточность.
3. Использование многоанодных ФЭУ приводит к наличию «crosstalk» (эффект перекрестных наводок в двух соседних Х- (или Y-) стрипах), что в свою очередь приводит к появлению дополнительной неопределенности в измерении координат нейтронов.
4. Достаточно сложная технология светоизоляции стрипов друг от друга, а также передачи световой вспышки от каждого стрипа к аноду многоканального фотоэлектронного умножителя.
5. Требуется сложная процедура амплитудной калибровки сцинтилляционного спектрометра с использованием стандартных гамма-источников Cs-137, Со-60 и космического излучения для определения коэффициентов, с помощью которых производится пересчет к равновеликой эффективности регистрации по каждому из 16 стрипов.
6. Ограничение координатой точности профилометра, обусловленное большой шириной сцинтилляционных стрипов (7.5 мм).
7. Применение сцинтилляционных стрипов толщиной 5 мм приводит к большому уровню фона, обусловленного случайной их загрузкой за счет космического излучения и перерассеяния нейтронов в веществе стрипов с последующей их регистрацией рядом расположенными стрипами.
Предлагаемое изобретение предназначено для решения следующих технических задач:
- определение пространственного распределения плотности нейтронного потока в пределах размеров X-Y плоскости профилометра;
- повышение координатной точности измерения пространственного распределения плотности нейтронного потока в пределах размеров X-Y плоскости профилометра;
- определение профиля и направления осей меченых пучков нейтронов;
- сокращение времени измерений.
Поставленные задачи решаются следующим образом:
28
28
28
25
Пучок (пучки) быстрых нейтронов падает на детектирующую плоскость профилометра, перпендикулярно расположенную к его (их) направлению (направлениям), а в качестве детектирующей плоскости профилометра используют двусторонний стриповый кремниевый детектор, одна сторона которого представляет набор X-стрипов, а вторая - набор Y-стрипов, перпендикулярных к Х-стрипам, и регистрируют заряженные частицы, образующиеся в объеме детектора в результате протекания реакций с эмиссией протонов и альфа-частиц при захвате нейтрона на ядрах кремния Si(n,p)Al, Si(n,α)Mg, при этом путем снятия электрических сигналов с соответствующих X- и Y-стрипов определяют координаты X и Y точек взаимодействия нейтронов с кремнием детектора, на основании однозначной связи номеров одновременно сработавших X- и Y-стрипов, включенных на совпадения, затем, после набора событий по каждому из Х- и Y-стрипов профилометра, измеряется пространственное распределение нейтронов, падающих в плоскости профилометра.
В случае использования меченых нейтронов способ заключается в том, что на детектирующую плоскость двухстороннего стрипового кремниевого детектора направляют перпендикулярно к ней пучки меченых нейтронов, формируемые в нейтронном генераторе с расположенным внутри него многоэлементным (многопиксельным) альфа-детектором (мечение нейтронов осуществляется путем регистрации альфа-частицы одним из элементов (пикселем) альфа-детектора, образующейся в бинарной ядерной дейтерий-тритиевой реакции), производят анализ событий, одновременно зарегистрированных соответствующими X- и Y-стрипами двустороннего кремниевого профилометра, в совпадениях с сигналом от соответствующего пикселя альфа-детектора.
Устройство для измерения профиля нейтронного пучка (пучков) содержит детектирующую плоскость, которая может состоять из одного или нескольких детектирующих элементов, блока высоковольтного питания для детектирующей плоскости, блока питания для регистрирующей аппаратуры, блока регистрирующей электроники сбора и анализа данных, где в качестве детектирующего элемента используется двухсторонний стриповый кремниевый детектор, представляющий собой кремниевый кристалл с р+ и n+ стрипами, расположенными на противоположных сторонах, при этом Х-стрипы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны к направлению Y-стрипов на другой стороне кристалла.
Детектирующая плоскость профилометра также может состоять из группы отдельных одинаковых детектирующих плоскостей (детектирующих элементов), каждая из которых представляет собой двусторонний стриповый кремниевый детектор, при этом количество детектирующих элементов, составляющих детектирующую плоскость, определяется из условия ΣS(эл)≥S(пучка), где ΣS(эл) - суммарная площадь всех детектирующих элементов, составляющих детектирующую плоскость, S(пучка) - площадь поверхности, ограниченной размерами измеренного нейтронного потока (потоков) в плоскости расположения профилометра, находящегося на определенном расстоянии от источника нейтронов.
В случае измерения профиля меченых пучков нейтронов, создаваемых нейтронным генератором с альфа-детектором, устройство, реализующее предложенный способ, содержит профилометр на основе двухстороннего стрипового кремниевого детектора с регистрирующей электроникой приема и анализа сигналов, поступающих с X- и Y-стрипов, организующей совпадение данных сигналов с сигналами от соответствующих пикселей альфа-детектора НГ, а также систему питания профилометра.
Отличительными признаками предлагаемого способа от известного, принятого за прототип, являются:
28
28
28
25
Нейтронный пучок направляют перпендикулярно детектирующей плоскости, в качестве детектирующей плоскости профилометра используют двусторонний стриповый кремниевый детектор, одна сторона которого представляет набор X-стрипов, а вторая - набор Y-стрипов, перпендикулярных к Х-стрипам, при этом регистрируют заряженные частицы, образующиеся в результате протекания реакций с эмиссией протонов и альфа-частиц при захвате нейтронов на ядрах кремния Si(n,p)Al, Si(n,α)Mg, при этом путем снятия электрических сигналов с соответствующих X- и Y-стрипов определяют координаты X и Y точек взаимодействия нейтронов с веществом данного стрипа профилометра, при этом на основании однозначной связи номеров одновременно сработавших X- и Y-стрипов, включенных на совпадения, при этом после набора событий по каждому из X- и Y-стрипов профилометра автоматически производится временной и амплитудный анализ зарегистрированных событий.
На детектирующую плоскость профилометра из кремния направляют перпендикулярно к ней пучки меченых быстрых нейтронов, формируемые с помощью нейтронного генератора с расположенным внутри него многоэлементным (многопиксельным) альфа-детектором (мечение нейтронов осуществляется путем регистрации альфа-частицы одним из элементов (пикселем) альфа-детектора, образующейся в бинарной ядерной дейтерий-тритиевой реакции, вылет которой из мишени практически противоположен направлению вылета нейтрона), производят анализ событий, одновременно зарегистрированных соответствующими X- и Y-стрипами двустороннего кремниевого профилометра, в совпадениях с сигналом от соответствующего пикселя альфа-детектора, при этом измеряется пространственное распределение нейтронов в детектирующей плоскости X-Y, соответствующих каждому из меченых пучков нейтронов.
Поясним, что в устройстве, реализующем заявленный способ, в качестве детектирующей плоскости используется двусторонний стриповый кремниевый детектор, представляющий собой две одинаковые по форме и содержанию детектирующие X и Y плоскости, размещенные на обеих сторонах полупроводникового кремниевого кристалла с р-n переходами, при этом Х-стрипы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны к направлению Y-стрипов на другой стороне детектора, каждый X- и Y-стрипы непосредственно электрически связаны через усилители сигналов с блоком регистрирующей электроники сбора и анализа событий, при этом обратное смещение на детектор подается от блока высоковольтного питания для детектирующей плоскости.
Использование предлагаемого изобретения дает возможность:
- уменьшить время измерений пространственного распределения нейтронов в плоскости Х- и Y-координат за счет применения двухстороннего стрипового кремниевого детектора, позволяющего сразу определять две координаты точки взаимодействия нейтрона в объеме детектора;
- повысить точность пространственного распределения потока нейтронов в плоскости Х- и Y-координат за счет уменьшения шага стрипов кремниевого детектора и за счет прямого преобразования энергии ионизации в электрический сигнал в кремниевом детекторе;
- существенно понизить уровень фона, определяемый малой толщиной кремниевого детектора (300-500 мкм), за счет уменьшения перерассеяния нейтронов в веществе детектора, что снижает вероятность появления сигналов от одного рассеянного нейтрона сразу на двух соседних стрипах.
Благодаря наличию данных отличительных признаков по сравнению с прототипом достигаются следующие технические результаты:
28
28
28
25
- Предлагаемый способ предназначен для получения информации о пространственном распределении пучков меченых нейтронов в плоскости X-Y профилометра и определения размера области взаимодействия пучков меченых нейтронов с кремниевой детектирующей плоскостью профилометра. Это достигается применением двухстороннего стрипового кремниевого детектора, состоящего из Х- и Y-стрипов, расположенных ортогонально на разных сторонах детектора. При взаимодействии быстрых нейтронов с веществом кристалла кремниевого детектора в результате протекания реакций с эмиссией протонов и альфа-частиц при захвате нейтрона на ядрах кремния Si(n,p)Al, Si(n,α)Mg происходит ионизация кремния образовавшимися заряженными частицами (р и α). В результате сбора (дрейфа) заряда ионизации в электрическом поле, созданном в объеме детектора, на соответствующих X- и Y-стрипах одновременно индуцируются электрические сигналы, которые поступают на входы электроники считывания.
- Возможность одновременного получения Х- и Y-координат нейтронов, которые в результате ядерной реакции с кремнием дают электрический сигнал одновременно в Х- и Y-стрипах детектора.
- Более простой и надежный съем электрических сигналов с X- и Y-стрипов кремниевого профилометра по сравнению с оптическим съемом сцинтилляционного профилометра.
- Отсутствие практически эффекта перекрестных наводок ("crosstalk") в двух соседних Х- (или Y-) стрипах повышает точность определения координат нейтронов.
Перечень чертежей:
1. На фиг. 1 (приложение 1) изображен вариант общей схемы устройства.
2. На фиг. 2 (приложение 1) изображен один из вариантов схемы профилометра быстрых нейтронов на основе двухсторонних стриповых кремниевых детекторов.
3. На фиг. 3 (приложение 2) приведен спектр потерь энергии заряженных частиц, образовавшихся в результате реакций взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами кремния, измеренный с помощью прототипа профилометра на основе кремниевого детектора.
На фиг. 1 изображена общая схема устройства, которое реализует предложенный способ.
Устройство содержит детектирующую плоскость 1, предназначенную для измерения пространственного распределения пучков меченых нейтронов и состоящую из 4-х одинаковых двухсторонних стриповых кремниевых детекторов 2; блока регистрирующей электроники 3; блока питания 4 детектирующей плоскости 1 и регистрирующей электроники 3. На этом же чертеже изображены: нейтронный генератор 5 с многопиксельным альфа-детектором 6, расположенным внутри него, формирующем меченые пучки нейтронов; тритиевая мишень 7; блок управления нейтронного генератора 8.
На фиг. 2 в качестве примера приведена схема включения двухстороннего стрипового кремниевого детектора с усилителями считывания сигналов со стрипов. Шаг Х- и Y-стрипов профилометра составляет - 2 мм, длина стрипов - 60 мм, толщина детектора - 0.3 мм.
n
n
n
2
7
2
3
-4
-2
2
4
На фиг. 3 приведен спектр потерь энергии заряженных частиц, образовавшихся в результате реакций взаимодействия нейтронов (E=14.1 МэВ) с ядрами кремния в объеме кремниевого детектора. Данный спектр получен при прохождении нейтронов через кремниевый детектор с чувствительной площадью 0.64 см и толщиной чувствительной области 300 мкм. Число нейтронов, прошедших через детектор, равняется 2.62×10, число зарегистрированных сигналов (нейтронов) кремниевым детектором с площадью 0.64 см и толщиной 300 мкм равняется 5.2×10 при пороге регистрации 1 МэВ. Из полученных экспериментальных результатов определена эффективность регистрации быстрых нейтронов (E=14.1 МэВ) кремниевым детектором, которая составляет 3.1×10 см/300 мкм/1 МэВ. Полученная величина эффективности регистрации нейтронов имеет следующий физический смысл: кремниевый детектор с активной площадью 1 см и толщиной 300 мкм при прохождении через него 10 быстрых нейтронов (E=14.1 МэВ) зарегистрирует 3.1 нейтронных сигнала при энергетическом пороге электроники в 1 МэВ.
Предлагаемый способ может эффективно применяться для решения задач нейтронографии при исследовании внутренней структуры объекта, находящегося между источником нейтронов и профилометром. Вещества, входящие в состав исследуемого объекта, обладают разной степенью ослабления потока нейтронов при проходе через них (разной степенью поглощения нейтронов), что, в свою очередь, приводит к уменьшению числа нейтронов, зарегистрированных стрипами X и Y, которые «затенены» областью в объекте, занимаемой веществами с большим сечением поглощения нейтронов, по сравнению со всеми другими областями объекта, заполненными другими веществами, входящими в состав облучаемого объекта.
Литература
1. В.М. Быстрицкий, Н.И. Замятин и др., Сборник докладов Международной научно-технической конференции "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе", с. 547, ВНИИА, Москва, 2013.
2. В.М. Быстрицкий, Н.И. Замятин и др., Сборник докладов Международной научно-технической конференции "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе", с. 572, ВНИИА, Москва, 2013.