КОНВЕРТЕР МЕДЛЕННЫХ НЕЙТРОНОВ И ДЕТЕКТОР МЕДЛЕННЫХ НЕЙТРОНОВ
SLOW NEUTRON CONVERTER AND SLOW NEUTRON DETECTOR

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Изобретение относится к обнаружению медленных нейтронов и, в частности, к конвертеру медленных нейтронов и детектору медленных нейтронов, который содержит этот конвертер медленных нейтронов.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕРЕНИЯ
3
3
[0002] С ростом применений обнаружения медленных нейтронов и технологии визуализации в таких аспектах, как безопасность государства, мониторинг материалов, измерение источника рассеяния медленных нейтронов, спрос на детектор медленных нейтронов постепенно возрастает. Однако широко применимый газ He больше не удовлетворяет постоянно возрастающим требованиям по использованию и, таким образом, для замены газового детектора на He разрабатываются различные типы новых детекторов медленных нейтронов, включая газовый детектор медленных нейтронов, сцинтилляционный детектор медленных нейтронов, полупроводниковый детектор медленных нейтронов и т.п.
6
10
[0003] Что касается детектора медленных нейтронов, то важной структурой в нем является конвертер медленных нейтронов. Поскольку сами по себе медленные нейтроны не переносят никаких зарядов, за исключением нескольких типов чувствительных к медленным нейтронам нуклидов, таких как Li, B, Gd и т.п., медленные нейтроны имеют небольшое сечение реакции с другими веществами, что вызывает то, что медленные нейтроны трудно непосредственно обнаружить. Внутренняя часть конвертера медленных нейтронов богата на большое количество чувствительного к медленным нейтронам нуклида, который может преобразовывать медленные нейтроны в заряженные частицы через ядерные реакции. Детектор обычно может измерять энергию и информацию о местоположении этих заряженных частиц, что дает относительную физическую информацию о падающих медленных нейтронах.
[0004] В зависимости от используемого базового детектора в конструкции газового детектора медленных нейтронов может иметь место множество типов конвертеров медленных нейтронов и детекторов медленных нейтронов. Например, газовый детектор медленных нейтронов на основе цилиндрической пропорциональной матрицы детекторов и газовый детектор медленных нейтронов на основе многосекционной ионизационной камеры.
[0005] В газовом детекторе медленных нейтронов на основе цилиндрической пропорциональной матрицы детекторов самым простейшим блоком обнаружения медленных нейтронов является цилиндрический пропорциональный детектор,  причем каждый блок имеет независимые анодный провод и систему сбора и обработки сигналов. Типичным примером является матрица детекторов медленных нейтронов типа «строу-трубка». Однако чувствительная к медленным нейтронам область и эффективность обнаружения медленных нейтронов для детектора практически пропорциональна квадрату количества цилиндрических пропорциональных детекторов. Установка и ремонт большого количества анодных проводов в системе может вызвать большую рабочую нагрузку, а разница в эффективности обнаружения среди различных блоков обнаружения медленных нейтронов также может повредить эксплуатационным характеристикам всей системы.
[0006] В газовом детекторе медленных нейтронов на основе многосекционной ионизационной камеры самым простейшим блоком обнаружения медленных нейтронов является плоская ионизационная камера, и каждая ионизационная камера имеет независимую двумерную систему считывания сигналов. Типичным примером является B-GEM-детектор медленных нейтронов. Однако однослойная плоская ионизационная камера обладает низкой эффективностью обнаружения медленных нейтронов и, таким образом, некоторые методы нуждаются в повышении общей эффективности обнаружения медленных нейтронов, например укладывание в стопу множества камер, падение медленных нейтронов с углом скольжения. Однако это могло бы вызвать интенсивную эксплуатацию всей системы считывания и обработки сигналов, и, таким образом, обнаружение медленных нейтронов на большой поверхности не удобно для реализации.
[0007] Поэтому требуются новый конвертер медленных нейтронов и новый детектор для медленных нейтронов.
[0008] Вышеприведенная информация, изобретеная в части уровня техники, используется только для укрепления понимания уровня техники настоящего изобретения. Поэтому вышеприведенная информация может включать в себя информацию, которая выходит за пределы уровня техники, известного специалистам в данной области техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящее изобретение обеспечивает конвертер медленных нейтронов и детектор медленных нейтронов, которые способны поддерживать высокую эффективность обнаружения медленных нейтронов.
[0010] Другие характеристики, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания или будут изучены частично из практики настоящего изобретения.
[0011] Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечен конвертер медленных нейтронов. Конвертер медленных нейтронов включает в себя: подложку, причем подложка включает в себя множество каналов, простирающихся вдоль первого направления, и изолирующие стенки между упомянутым множеством каналов; и слой бора, покрывающий по меньшей мере подвергаемую воздействию поверхность упомянутого множества каналов. Упомянутое множество каналов представляют собой сквозные каналы.
[0012] Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет круглое или многоугольное поперечное сечение.
[0013] Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет регулярное многоугольное поперечное сечение.
[0014] Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет регулярное гексагональное поперечное сечение, а упомянутое множество каналов равномерно распределено так, чтобы конвертер медленных нейтронов имел ячеистую структуру.
[0015] Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет вписанную окружность, диаметр которой находится в диапазоне от 0,1 мм до 20 мм.
[0016] Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет вписанную окружность, диаметр которой находится в диапазоне от 3 мм до 10 мм.
[0017] Согласно некоторым вариантам осуществления подложка имеет высоту в диапазоне от 1 см до 30 см вдоль первого направления.
[0018] Согласно некоторым вариантам осуществления подложка имеет высоту в диапазоне от 10 см до 15 см вдоль первого направления.
nat
[0019] Согласно некоторым вариантам осуществления слой бора содержит B.
2
[0020] Согласно некоторым вариантам осуществления слой бора имеет массовую толщину в диапазоне от 0,232 до 0,694 мг/см.
2
[0021] Согласно некоторым вариантам осуществления слой бора имеет массовую толщину в диапазоне от 0,3 до 0,4 мг/см.
2
[0022] Согласно некоторым вариантам осуществления слой бора имеет массовую толщину 0,37 мг/см.
[0023] Согласно некоторым вариантам осуществления подложка имеет кубическую или кубоидную форму.
[0024] Согласно некоторым вариантам осуществления изолирующие стенки имеют толщину в диапазоне от 1 мкм до 50 мкм.
[0025] Согласно некоторым вариантам осуществления изолирующие стенки имеют толщину в диапазоне от 5 мкм до 20 мкм.
[0026] Согласно некоторым вариантам осуществления изолирующие стенки содержат номекс.
[0027] Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечен детектор медленных нейтронов. Детектор медленных нейтронов включает в себя: любой конвертер медленных нейтронов, как было описано выше, причем упомянутое множество каналов заполнено ионизационным рабочим газом; катодную пластину, расположенную на одном конце конвертера медленных нейтронов; электронный умножитель, расположенный на другом конце конвертера медленных нейтронов; и анодную пластину, расположенную напротив электронного умножителя, причем между катодной пластиной и анодной пластиной образуется электрическое поле.
[0028] Согласно некоторым вариантам осуществления электронный умножитель включает в себя газовый электронный умножитель (GEM) и камеру Микромегас (Micromegas - Micro Mesh Gaseous Structure).
[0029] Согласно некоторым вариантам осуществления детектор медленных нейтронов дополнительно включает в себя систему полеформирующих электродов (field cage), которая имеет цилиндрическую структуру, причем система полеформирующих электродов окружает конвертер медленных нейтронов.
[0030] Согласно некоторым вариантам осуществления система полеформирующих электродов включает в себя множество коаксиальных медных колец, причем к упомянутому множеству коаксиальных медных колец соответственно приложено градиентное напряжение.
[0031] Согласно некоторым вариантам осуществления детектор медленных нейтронов дополнительно включает в себя защитные кольца, расположенные с обеих сторон системы полеформирующих электродов.
[0032] Конвертер медленных нейтронов и детектор медленных нейтронов согласно настоящему изобретению способны поддерживать высокую эффективность обнаружения медленных нейтронов. В дополнение, согласно техническим решениям настоящего изобретения сложность изготовления и себестоимость детектора снижаются и, таким образом, достигается эффективное, удобное и дешевое обнаружение медленных нейтронов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0033] Примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, вследствие чего вышеуказанные и другие признаки и преимущества станут более ясными.
[0034] ФИГ. 1 представляет собой трехмерную диаграмму конвертера медленных нейтронов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0035] ФИГ. 2 представляет собой сечение конвертера медленных нейтронов, как проиллюстрировано на ФИГ. 1;
[0036] ФИГ. 3 представляет собой диаграмму соотношения между эффективностью обнаружения медленных нейтронов и массовой толщиной слоя бора для конвертера медленных нейтронов согласно настоящему изобретению;
[0037] ФИГ. 4 представляет собой схематическую структурную диаграмму детектора медленных нейтронов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения; и
[0038] ФИГ. 5 представляет собой диаграмму рабочих принципов детектора медленных нейтронов согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0039] Примерные варианты осуществления настоящего изобретения здесь и далее описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Однако примерные варианты осуществления могут быть реализованы множеством способов и не должны рассматриваться как ограниченные реализациями, описанными в настоящей работе. Вместо этого такие примерные варианты осуществления обеспечены для более тщательной и полной иллюстрации настоящего изобретения и полностью предоставляют концепции примерных вариантов осуществления для специалистов в данной области техники. На чертежах одинаковые номера ссылок обозначают одинаковые или сходные структуры или элементы. Поэтому их повторные описания в дальнейшем не приводятся.
[0040] В дополнение, описанные характеристики, структуры или признаки могут быть включены в один или более вариантов осуществления любым подходящим образом. В описании, приведенном ниже, обеспечено больше подробностей, вследствие чего может быть достигнуто достаточное понимание вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако специалисты в данной области техники могли бы быть осведомлены в том, что технические решения настоящего изобретения могут быть реализованы на практике без одной или более конкретных деталей или могут быть реализованы на практике с использованием других способов, компонентов, материалов, приборов, этаповили т.п. При других обстоятельствах обычные известные структуры, способы, приборы, практики, материалы или операции не проиллюстрированы или не описаны подробно, во избежание того, чтобы различные аспекты настоящего изобретения стали двусмысленными.
[0041] Настоящее изобретение обеспечивает новый детектор, причем конвертер медленных нейтронов изготавливают с использованием слоя структуры бора. Детектор реализует такие функции, как поглощение медленных нейтронов, ионизация заряженных частиц, дрейф электронов, а затем усиливает сигналы с использованием электронного умножителя.
[0042] ФИГ. 1 представляет собой трехмерную диаграмму конвертера медленных нейтронов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. ФИГ. 2 представляет собой сечение конвертера медленных нейтронов, как проиллюстрировано на ФИГ. 1. Следует понимать, что структура, схематически проиллюстрированная на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, - это только пример конвертера медленных нейтронов согласно настоящему изобретению. Настоящее изобретение им не ограничено.
[0043] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, конвертер 100 медленных нейтронов согласно настоящему изобретению может включать в себя подложку 120.
[0044] Подложка 120 может включать в себя множество каналов 124, проникающих сквозь подложку вдоль первого направления, а также изолирующие стенки 122 между упомянутым множеством каналов.
[0045] Каждый канал 124 может иметь круглое или многоугольное поперечное сечение. Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет регулярное многоугольное поперечное сечение. Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал имеет регулярное гексагональное поперечное сечение, а упомянутое множество каналов равномерно распределено так, чтобы конвертер медленных нейтронов имел сотовую структуру, как проиллюстрировано на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, но настоящее изобретение не ограничено ими. Каналы 124 могут быть заполнены ионизационным рабочим газом, который может быть более подробно описан далее.
[0046] Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, конвертер 100 медленных нейтронов дополнительно включает в себя слой 126 бора на по меньшей мере подвергаемой воздействию поверхности упомянутого множества каналов 124. Согласно некоторым вариантам осуществления слой 126 бора может быть изготовлен посредством нанесения покрытия окунанием или другими подходящими способами.
[0047] Каналы 124 могут иметь гладкую подвергаемую воздействию поверхность, вследствие чего слой бора, покрывающий подложку 120, имеет большую однородность и чистоту поверхности (например, плоскостность менее 0,1 мкм).
nat
10
[0048] Согласно настоящему изобретению B (натуральный бор) или B (очищенный бор) может быть использован в качестве материала для преобразования медленных нейтронов.
[0049] Согласно некоторым вариантам осуществления подложка 120 имеет кубическую или кубоидную форму. Однако настоящее изобретение не устанавливает никаких ограничений для конкретной формы.
[0050] Согласно некоторым вариантам осуществления изолирующие стенки 122 могут иметь толщину в диапазоне от 1 мкм до 50 мкм. Например, изолирующие стенки могут иметь толщину в диапазоне от 5 мкм до 20 мкм.
[0051] Согласно некоторым вариантам осуществления изолирующие стенки 122 содержат номекс.
[0052] ФИГ. 3 представляет собой диаграмму кривой соотношения между эффективностью обнаружения медленных нейтронов и массовой толщиной слоя бора для конвертера медленных нейтронов согласно настоящему изобретению.
nat
2
3
[0053] Как проиллюстрировано на ФИГ. 3, если в качестве материала для преобразования медленных нейтронов используется B, при поддержании массовой толщины слоя бора в диапазоне от 0,232 до 0,694 мг/см (соответствующая толщина составляет от 1 до 3 мкм, когда плотность составляет 2,35 г/см), может быть достигнута высокая эффективность обнаружения медленных нейтронов.
2
2
2
[0054] Согласно некоторым вариантам осуществления слой бора имеет массовую толщину в диапазоне от 0,232 до 0,694 мг/см. Согласно некоторым вариантам осуществления слой бора имеет массовую толщину в диапазоне от 0,3 до 0,4 мг/см. Согласно некоторым дополнительным вариантам осуществления слой бора имеет массовую толщину 0,37 мг/см.
[0055] Авторы настоящего изобретения идентифицировали, что
сверхтонкий слой бора может вызвать снижение вероятности реакции между слоем бора и медленными нейтронами, тогда как сверхтолстый слой бора может вызвать то, что он будет трудным для попадания тяжелых заряженных частиц, генерируемых реакцией, в сотовые каналы из покрытия конвертера. Оба случая могут сильно снизить общую эффективность обнаружения медленных нейтронов.
[0056] В дополнение необходимо, чтобы конвертер медленных нейтронов имел подходящую апертуру. Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал 124 имеет вписанную окружность, диаметр которой находится в диапазоне от 0,1 мм до 20 мм. Согласно некоторым вариантам осуществления каждый канал 124 имеет вписанную окружность, диаметр которой находится в диапазоне от 3 мм до 10 мм. В настоящем изобретении вписанная окружность канала относится к окружности, касательной к большей части сторон канала.
[0057] В дополнение также необходимо, чтобы конвертер медленных нейтронов имел подходящую высоту для достижения как более высокой эффективности обнаружения медленных нейтронов, так и улучшенного эффективности миграции электронов. Согласно некоторым вариантам осуществления подложка 120 имеет высоту в диапазоне от 1 см до 30 см. Например, подложка 120 может иметь высоту в диапазоне от 10 см до 15 см.
[0058] Согласно некоторым вариантам осуществления порошки бора с размерной характеристикой порядка нанометров равномерно осаждают на подложке из номекса для образования сотовой структуры, а затем за счет отрезания и срезания может быть получен конвертер медленных нейтронов, удовлетворяющий требованиям с точки зрения апертуры, длины и толщины слоя бора.
[0059] ФИГ. 4 схематически иллюстрирует структурную диаграмму детектора медленных нейтронов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0060] Как проиллюстрировано на ФИГ. 4, детектор медленных нейтронов может включать в себя конвертер 520 медленных нейтронов. Конвертер 520 медленных нейтронов может представлять собой конвертер медленных нейтронов, как было описано выше. Детектор медленных нейтронов дополнительно включает в себя катодную пластину 510, установленную на одном конце конвертера 520 медленных нейтронов, электронный умножитель 530, установленный на другом конце конвертера 520 медленных нейтронов, и анодную пластину 540, установленную напротив электронного умножителя 530. Между катодной пластиной 510 и анодной пластиной создается электрическое поле 520 для принуждения электронов к дрейфу к электронному умножителю, который будет описан ниже.
[0061] Как было описано выше, конвертер 520 медленных нейтронов может включать в себя подложку 120 и слой 126 бора. Упомянутое множество каналов 124 подложки 120 заполнены ионизационным рабочим газом для получения электронов, которые будут описаны ниже. Может быть использован рабочий газ, имеющий небольшой поперечный коэффициент диффузии электронов, вследствие чего электроны подвергаются меньшей поперечной диффузии в ходе процесса миграции. Согласно некоторым вариантам осуществления ионизационный рабочий газ может представлять собой смешанный газ, имеющий 95% газообразного аргона и 5% газообразного диоксида углерода. Однако настоящее изобретение не устанавливает никаких ограничений для рабочего газа, который может представлять собой любой подходящий рабочий газ.
[0062] Согласно некоторым вариантам осуществления электронный умножитель 530 может включать в себя газовый электронный умножитель, камеру Микромегас и т.п. Электронный умножитель способен увеличивать количество пропускаемых электронов с обеспечением, таким образом, формирования эффективных электрических сигналов.
[0063] Согласно некоторым вариантам осуществления, как проиллюстрировано на ФИГ. 4, детектор медленных нейтронов может дополнительно включать в себя систему полеформирующих электродов 550, имеющую цилиндрическую структуру, причем система полеформирующих электродов 550 окружает конвертер медленных нейтронов. Система полеформирующих электродов 550 может включать в себя множество коаксиальных медных колец, причем к упомянутому множеству коаксиальных медных колец соответственно приложено градиентное напряжение. Система полеформирующих электродов 550 может достигать эффекта изоляции и экранирования и может ограничивать эквипотенциальные поверхности внутренней газовой среды так, чтобы они были параллельны в большинстве областей, то есть образовывали приблизительно однородное электрическое поле.
[0064] В дополнение, согласно некоторым вариантам осуществления детектор медленных нейтронов может дополнительно включать в себя защитные кольца (не проиллюстрированы). Защитные кольца могут быть установлены с обеих сторон системы полеформирующих электродов и выполнены с обеспечением электрических уровней для плоскостей с обоих концов, с достижением, таким образом, содействия в формировании однородного электрического поля.
[0065] ФИГ. 5 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую рабочие принципы детектора медленных нейтронов согласно настоящему изобретению. Рабочие принципы детектора медленных нейтронов согласно настоящему изобретению будут описаны со ссылкой на ФИГ. 4 и ФИГ. 5.
[0066] Как проиллюстрировано на ФИГ. 4 и ФИГ. 5, процесс обнаружения медленных нейтронов согласно настоящему изобретению может быть разделен на три этапа: поглощение медленных нейтронов для образования электронов, миграция электронов, умножение электронов и сбор сигналов.
10
7
7
7
[0067] Физический процесс на этапе от поглощения медленных нейтронов до образования электронов происходит внутри конвертера медленных нейтронов. Падающие медленные нейтроны 501 подвергаются реакции B (n, a) Li в слое 126 бора, и получаются тяжелые заряженные частицы a и Li, направления движения которых противоположны друг другу, и которые равномерно распределены по телесному углу 4p. Поэтому в каждой реакции не больше чем одна частица будет попадать в газовую среду сотовых каналов 124. Когда α-частицы или Li-частицы движутся в газовой среде внутри канала, энергия может выделяться за счет эффекта ионизации и, таким образом, получаются электроны. Если эти электроны обнаруживаются детектором, могут быть сформированы соответствующие электрические сигналы.
10
7
7
2
3
[0068] На этом этапе возможную эффективность обнаружения медленных нейтронов во всем детекторе определяют как по вероятности того, что медленные нейтроны будут подвергаться реакции B (n, α) Li, когда медленные нейтроны проникают сквозь слой 126 бора, так и по средней вероятности того, что α-частицы или Li-частицы попадут в каналы 124. Как было описано выше со ссылкой на ФИГ. 3, когда слой бора имеет массовую толщину в диапазоне от 0,232 до 0,694 мг/см (соответствующая толщина составляет от 1 до 3 мкм, когда плотность составляет 2,35 г/см), может быть достигнута высокая эффективность обнаружения медленных нейтронов.
[0069] Вследствие эффекта ионизации тяжелых заряженных частиц исходные местоположения полученных электронов распределяются внутри различных сотовых каналов всего конвертера медленных нейтронов. Чтобы заставить эти электроны сформировать выходные электрические сигналы, техническое решение согласно настоящему изобретению состоит в том, чтобы заставить электроны мигрировать из каналов. Как было описано выше, под действием электрического поля электроны приводятся в дрейф к одному концу конвертера медленных нейтронов, то есть в дрейф к электронному умножителю 530.
[0070] Электронный умножитель 530 способен умножать количество пропускаемых электронов с обеспечением, таким образом, формирования эффективных электрических сигналов. Газовый электронный умножитель (GEM), камеру Микромегас и т.п. электронные умножители все могут взаимодействовать для нормальной работы с конвертером медленных нейтронов, имеющим слой бора.
[0071] Электроны собираются анодной пластиной 540 и, таким образом, формируются электрические сигналы, которые в настоящей работе нигде далее не описаны.
[0072] С помощью вышеприведенного подробного описания специалисты в данной области техники легко могут понять, что система и способ согласно вариантам осуществления настоящего изобретения обладают одним или более из следующих преимуществ.
[0073] При использовании конвертера медленных нейтронов, имеющего слой бора согласно настоящему изобретению, можно изготовить газовый детектор медленных нейтронов, обладающий хорошими эксплуатационными характеристиками.
[0074] При поддержании высокой эффективности обнаружения медленных нейтронов сложность изготовления и себестоимость детектора снижаются.
[0075] Подробное описание, приведенное выше, представляет собой примерные варианты осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено вышеуказанными примерными вариантами осуществления. Напротив, настоящее изобретение следует рассматривать как охватывающее различные модификации и эквивалентные перегруппировки оборудования в рамках сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.