ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР

Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использована при создании радиационных детекторов, применяемых для регистрации и определения пространственного распределения нейтронного излучения широкого спектра, например, в геофизической аппаратуре нейтронного каротажа, а также системах обнаружения опасных веществ, использующих портативные генераторы быстрых нейтронов.
В настоящее время в скважинных приборах, используемых для детальных геофизических исследований, а также в аппаратуре, используемой для обнаружения взрывчатых, ядерных и других опасных веществ, широко используются портативные нейтронные генераторы, излучающие, в зависимости от типа генератора, нейтроны с энергией около 2,5 МэВ или 14 МэВ.
Распространяясь в среде, быстрые нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах. В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны замедляются, переходя в область энергий эпитепловых, а затем и тепловых нейтронов. Пространственное распределение быстрых, эпитепловых и тепловых нейтронов зависит от свойств среды и, в частности, от соотношения макроскопических сечений рассеяния и поглощения нейтронов в среде и может быть использовано для определения вещественного состава среды.
В скважинных приборах регистрация быстрых, эпитепловых и тепловых нейтронов позиционно-чувствительным детектором или несколькими детекторами, находящимися на разных расстояниях от мишени генератора 14 МэВ нейтронов, позволяет измерить, например, нейтронную пористость и плотность среды, степень ее однородности. Эти характеристики используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности. Угловая зависимость регистрируемого нейтронного излучения позволяет контролировать положение скважинного прибора в скважине.
При обнаружении взрывчатых, ядерных и других опасных веществ регистрация пространственного и углового распределения потоков быстрых, эпитепловых и тепловых нейтронов, проходящих через контролируемую среду, позволяет судить о вещественном составе объекта и степени его однородности, облегчает учет вклада фонового излучения.
Таким образом, нейтронные детекторы, обладающие координатным и угловым разрешением и обеспечивающие регистрацию всего спектра нейтронного излучения, повышают надежность определения вещественного состава исследуемой среды и степени ее однородности.
Известен «Метод и аппаратура для нейтронного каротажа, использующая позиционно-чувствительный нейтронный детектор», который содержит сцинтиллятор с осью параллельной оси корпуса прибора и фотоумножители на противоположных концах сцинтиллятора, каждый фотоумножитель подключен к соответствующему амплитудному анализатору и через него к контроллеру, служащему для определения осевого положения зарегистрированного нейтрона по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоумножителями. Патент СА 2798070, МПК G01T 3/00, GOIV 5/10, 10.11.2011.
Недостатком аналога является невозможность одновременной регистрации тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов.
Известен «Спектрометрический позиционно-чувствительный детектор», в котором сцинтиллятор состоит из трех вложенных друг в друга наборов сцинтиллирующих элементов, обеспечивающих регистрацию эпитепловых и тепловых нейтронов, а также гамма излучения. Патент RU 2574322, МПК G01T 1/20, 10.02.2016. Данное решение принято в качестве прототипа.
Позиционно-чувствительный детектор, содержащий сцинтиллятор, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником, отличающийся тем, что сцинтиллятор состоит из трех вложенных друг в друга наборов сцинтиллирующих элементов, расположенных параллельно оси устройства, внешний и средний наборы образованы сцинтиллирующими волокнами из материала, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов, а сцинтиллирующие элементы внутреннего набора образуют цилиндр и выполнены в форме одинаковых по размеру угловых секторов и обеспечивают регистрацию гамма-излучения, количество угловых секторов составляет два и более, каждый угловой сектор снабжен спектросмещающим волокном, проходящим через центр углового сектора параллельно оси устройства, сцинтиллирующие элементы среднего набора помещены внутрь нейтронного замедлителя трубчатой формы, заполняющего пространство между внешним и внутренним наборами, на внешней поверхности нейтронного замедлителя расположен экран, поглощающий тепловые нейтроны, сцинтиллирующие элементы всех наборов и спектросмещающие волокна внутреннего набора снабжены светоотражающими оболочками, на поверхность сцинтиллирующих элементов нанесено светонепроницаемое покрытие, противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента внешнего и среднего наборов, а также противоположные торцы каждого спектросмещающего волокна внутреннего набора соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше числа сцинтиллирующих элементов.
Недостатком прототипа является невозможность одновременной регистрации тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов. Прототип не может регистрировать быстрые нейтроны.
Полезная модель устраняет недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность одновременной регистрации тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов.
Технический результат достигается тем, что позиционно-чувствительный детектор, содержащий три, вложенные друг в друга, цилиндрические набора сцинтиллирующих элементов с общей осью параллельной оси детектора, сцинтиллирующие элементы внешнего и среднего набора выполнены из материала для регистрации тепловых нейтронов и разделены цилиндрическим экраном, поглощающим тепловые нейтроны, сцинтиллирующие элементы внешнего, среднего и центрального наборов снабжены светоотражающими оболочками, на светоотражающие оболочки сцинтиллирующих элементов нанесено светонепроницаемое покрытие, противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента внешнего, среднего и центрального наборов соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом матричном фотоприемнике равно или больше числа сцинтиллирующих элементов, сцинтиллирующие элементы центрального набора выполнены из водородосодержащего сцинтиллятора, применяемого для регистрации быстрых нейтронов, а цилиндрический экран, поглощающий тепловые нейтроны, установлен на поверхность сцинтиллирующих элементов среднего набора.
На чертеже схематично показано устройство позиционно-чувствительного детектора, служащего для одновременной регистрации тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов, где:
1, 5 - внешний и средний цилиндрические наборы сцинтиллирующих элементов для регистрации тепловых нейтронов;
2 - волоконные световоды;
3 - матричные фотоприемники;
4 - оптические соединители;
6 - центральный набор сцинтиллирующих элементов для регистрации быстрых нейтронов;
7 - цилиндрический экран для тепловых нейтронов.
Амплитудные анализаторы, подключаемые к фотоприемникам и контроллеру, а также контроллер на Чертеже не показаны.
Позиционно-чувствительный детектор содержит:
- вложенные друг в друга наборы 1, 5 и 6 сцинтиллирующих элементов цилиндрической формы с общей осью параллельной оси детектора, служащие для регистрации тепловых (наборы 1 и 5) и быстрых (набор 6) нейтронов;
- волоконные световоды 2 и оптические соединители 4, служащие для вывода света от сцинтилляционных вспышек, возникающих в сцинтилляционных элементах наборов 1, 5 и 6, на матричные фотоприемники 3;
- цилиндрический экран 7, служащий для поглощения тепловых нейтронов и предотвращения их попадания на набор 5 сцинтиллирующих элементов со стороны набора 1 сцинтиллирующих элементов;
- матричные фотоприемники 3, служащие для регистрации сцинтилляционных сигналов, поступающих с противоположных торцов сцинтилляционных элементов, входящих в наборы 1, 5 и 6.
Число фоточувствительных элементов в каждом из двух матричных фотоприемников 3 должно быть равно или больше числа сцинтиллирующих элементов в наборах 1, 5 и 6. Фоточувствительные элементы, входящие в матричные фотоприемники 3, подключены к амплитудным анализаторам (на Чертеже не показаны) и через них к контроллеру (на чертеже не показан), служащему для определения осевого и углового распределения нейтронного излучения, падающего на детектор.
В наборах 1 и 5 сцинтиллирующие элементы располагаются вдоль окружности параллельно оси детектора на одном расстоянии от нее и изготавливаются из материала, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов.
Сцинтиллирующие элементы, входящие в набор 6, заполняют цилиндрический объем, диаметр и длина которого обычно составляют несколько сантиметров. Что обеспечивает, с одной стороны, достаточно высокую эффективность регистрации быстрых нейтронов а, с другой стороны, эффективное замедление эпитепловых нейтронов до энергии тепловых нейтронов.
В наборах 1 и 5 для регистрации тепловых нейтронов может, например, использоваться волоконный сцинтиллятор из литий содержащего стекла. В настоящее время изготавливаются волоконные сцинтиллирующие элементы различного поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные. Достаточно высокая эффективность регистрации тепловых нейтронов обеспечивается литиевым волоконным сцинтиллятором с размером поперечного сечения волокна порядка 1 мм.
Для регистрации быстрых нейтронов сцинтиллирующие элементы, входящие в центральный набор 6, выполняют из волоконного водородосодержащего сцинтиллятора, изготовленного, например, из пластмассы с добавками соответствующих красителей. Такой сцинтиллятор, помимо регистрации быстрых нейтронов по протонам отдачи, служит хорошим замедлителем эпитепловых нейтронов. Для эффективного замедления эпитепловых нейтронов плотность упаковки сцинтиллирующих элементов центрального набора 6 должна быть максимальной, которая достигается, в частности, в случае квадратного сечения сцинтиллирующего элемента.
Для улучшения светосбора и увеличения доли света, переносимого на торцы волоконного сцинтиллирующего элемента, поверхность элемента покрывают светоотражающим покрытием (одно- и двух-слойным) с меньшим, чем у волокна, коэффициентом преломления, либо выращивают волокна с заданным радиальным градиентом состава (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов; Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, МПК: G01T 1/20, 10.02.2011).
Применение волоконного сцинтиллятора в наборах 1, 5 и 6 позволяет существенно уменьшить вклад фонового гамма излучения за счет малого поперечного сечения волокна.
Поверхность сцинтиллирующих элементов, входящих в наборы 1, 5 и 6, покрыта также светонепроницаемым тонким покрытием, например, из алюминия, двуокиси титана, окиси магния, который служит для предотвращения попадания света от сцинтилляционной вспышки, возникшей в сцинтиллирующем элементе, в соседние элементы. Толщина покрытия, обеспечивающая полное поглощение света, составляет не более 1 мкм.
Противоположные торцы каждого волоконного сцинтиллирующего элемента наборов 1, 5 и 6 соединены с помощью оптических соединителей 4 с двумя волоконными световодами 2 с оптическим контактом. Оптические соединители 4 обеспечивают механическую связь торцов волоконного сцинтиллирующего элемента наборов 1, 5 и 6 с торцами волоконных световодов 2. Поперечное сечение волоконных световодов 2 обычно равно или больше поперечного сечения волоконного сцинтиллирующего элемента наборов 1, 5 и 6 для того, чтобы уменьшить потери света в месте сопряжения торцов волоконного сцинтиллирующего элемента и волоконных световодов.
Волоконные световоды 2 составлены из волокон, обычно изготавливаемых из пластмассы со светоотражающими и светопоглощающими покрытиями, выполняющими ту же роль, что и в случае сцинтиллирующих элементов. Торцы каждого из волоконных световодов 2 соединены с фоточувствительными элементами матричных фотоприемников 3 с оптическим контактом.
В каждом из двух матричных фотоприемников 3 в качестве фоточувствительных элементов могут использоваться фотодиоды, например, кремниевые фотоумножители. В качестве матричного фотоприемника 3 могут применяться также двухкоординатные фотоумножители. Общее число фоточувствительных элементов в каждом из двух матричных фотоприемников 3 равно или больше общего числа волоконных сцинтиллирующих элементов в наборах 1, 5 и 6.
Сцинтиллирующие элементы, входящие в набор 5, окружены цилиндрическим экраном 7, служащим для поглощения тепловых нейтронов. Цилиндрический экран 7, поглощающий тепловые нейтроны, установлен на поверхность сцинтиллирующих элементов среднего набора 5 и может быть изготовлен, например, из листового кадмия толщиной около 1 мм.
В общей случае цилиндрический экран 7, внешний 1 и средний 5 наборы могут быть не соосными.
Устройство работает следующим образом.
На позиционно-чувствительный детектор падают одновременно быстрые, тепловые и эпитепловые нейтроны. Интенсивность этих излучений имеет осевое и азимутальное распределение.
Тепловые нейтроны, попавшие в сцинтиллирующие элементы набора 1, практически полностью поглощаются в них, вызывая сцинтилляционные вспышки. Те тепловые нейтроны, которые прошли через элементы набора 1 внутрь детектора не поглотившись, поступают на цилиндрический экран 7 для тепловых нейтронов и поглощаются в нем.
Эпитепловые нейтроны в основном проходят через набор 1 сцинтиллирующих элементов и далее через цилиндрический экран 7 для тепловых нейтронов не поглотившись из-за более низкого для них сечения поглощения в связи с более высокой их энергией. Далее эпитепловые нейтроны проходят через набор 5 сцинтиллирующих элементов также практически не поглотившись и поступают в центральный набор 6, где теряют свою энергию за счет упругого рассеяния на водороде, входящего в состав пластмассового сцинтиллятора, и становятся тепловыми. Став в центральном наборе 6 тепловыми, нейтроны диффундируют в нем, испытывая радиационный захват на водороде, входящем в состав сцинтиллирующих элементов набора 6, но в своем большинстве возвращаются на сцинтиллирующие элементы набора 5, где эффективно поглощаются и регистрируются аналогично тепловым нейтронам, поступившим из окружающей среды на сцинтиллирующие элементы набора 1.
Цилиндрический экран 7 препятствует прохождению тепловых нейтронов, возникших в наборе 6, на сцинтиллирующие элементы набора 1.
Быстрые нейтроны проходят наборы 1, 5, а также цилиндрический экран 7, практически не взаимодействуя с ними, и попадают в сцинтиллирующие элементы центрального набора 6. В результате упругого рассеяния быстрых нейтронов на водороде, входящем в состав пластмассового сцинтиллятора, в одном или нескольких сцинтиллирующих элементах центрального набора 6 возникают сцинтилляционные вспышки.
Фотоны от сцинтилляционной вспышки, возникшей от тепловых, эпитепловых или быстрых нейтронов в одном из сцинтиллирующих элементов, входящем в наборы 1, 5 или 6, соответственно, транспортируются к противоположным торцам сцинтиллирующего элемента с помощью светоотражающей оболочки. Далее эти фотоны посредством оптических соединителей 4 и волоконных световодов 2 переносятся на два отдельные фотоприемника, входящие в состав двух различных матричных фото приемников 3, в которых регистрируются, вызывая на выходе фотоприемников электрические сигналы.
Светопоглощающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие элементы наборов 1, 5 и 6, препятствует прохождению сцинтилляционных фотонов из одного элемента в другой, предотвращая связанное с этим прохождением ухудшение азимутального разрешения детектора.
Электрические сигналы с двух фотоприемников, входящих в состав двух различных матричных фотоприемников 3, вызванные приходом фотонов с противоположных торцов сцинтиллирующего элемента из наборов 1, 5 или 6, поступают на амплитудные анализаторы и далее в контроллер, где анализируется по амплитуде, суммируются и используются для определения осевого и углового распределения нейтронного излучения.
По соотношению амплитуд электрических сигналов с противоположных торцов сцинтиллирующего элемента наборов 1, 5 или 6 определяется осевая координата взаимодействия излучения. Точность определения осевой координаты составляет порядка 1 см (В.Н. Дубинина, В.Е. Ковтун, «Концепция радиационного портального монитора нового поколения», Вестник Харьковского университета №845 (2009) 108-121; патент РФ №2351954, МПК G01T 3/06, 10.04.2009).
По суммарному сигналу, поступающему с сцинтиллирующих элементов наборов 1, 5 и 6, расположенных при различных азимутальных углах, определяется азимутальное распределение поступившего излучения (заявка на патент US 2013/0187035, МПК G01V 5/08, G01V 5/10, 25.07.2013). По величине регистрируемого суммарного сигнала может производиться также отбраковка фонового сигнала, характеризующегося сравнительно малой амплитудой.
Угловое разрешение детектора определяется отношением поперечного сечения сцинтиллирующего элемента к радиусу окружности, на которой находится этот элемент. При сечении сцинтиллирующего элемента, составляющем 1 мм (диаметр обычно применяемых счетчиков или сцинтилляторов составляет порядка 1 см), и расстоянии от оси детектора, например, 20 мм угловое разрешение составляет 1/20 радиана или менее 3°.
В случае аппаратуры для обнаружения взрывчатых, ядерных и других опасных веществ угловое разрешение детектора позволяет определить направление, с которого на детектор поступает нейтронное излучение и тем самым облегчает учет влияния фоновых излучений.
Таким образом, заявленный технический результат: возможность одновременной регистрации тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов, достигается за счет того, что сцинтиллирующие элементы центрального набора 6 выполнены из водородосодержащего сцинтиллятора, применяемого для регистрации быстрых нейтронов, а цилиндрический экран 7, поглощающий тепловые нейтроны, установлен на поверхность сцинтиллирующих элементов среднего набора 5.