БЫСТРЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ

Настоящая полезная модель относится к области регистрации нейтронного излучения с помощью сцинтилляционных детекторов и может быть использована для регистрации нейтронного излучения, в т.ч. импульсного, на ядерно-физических установках (ЯФУ), в физических экспериментах и системах радиационного контроля на ускорителях.
Для использования детекторов нейтронов в системах радиационного контроля ЯФУ необходимо соответствие дозовой зависимости чувствительности этих детекторов с энергетической зависимостью удельного амбиентного эквивалента дозы h∗(10) [ICRP Publication 74. Conversion Coefficients for use in Radiological Protection against External Radiation. Ann. ICRP 26. Oxford, Pergamon Press, 1996; Пелешко B.H., Савицкая E.H., Санников A.B. Оптимизация конструкции дозиметра нейтронов с расширенным диапазоном энергий для высокоэнергетических ускорителей. Препринт ИФВЭ 2014-4. - Протвино, 2014]. Этому соответствуют детекторы тепловых нейтронов, помещенные в центр шаровых полиэтиленовых замедлителей нейтронов диаметром ~254 мм.
3
3
В качестве детекторов тепловых нейтронов в центре шаровых полиэтиленовых замедлителей (как дозиметров нейтронов) обычно используются газоразрядные счетчики с наполнением He или BF. Разрешающее время таких счетчиков находится в микросекундном диапазоне, поэтому они могут занижать дозу также из-за просчетов в условиях импульсных полей излучения и больших мощностей дозы за защитой ускорителей [Пелешко В.Н., Савицкая Е.Н., Санников А.В. Оптимизация конструкции дозиметра нейтронов с расширенным диапазоном энергий для высокоэнергетических ускорителей. Препринт ИФВЭ 2014-4. - Протвино, 2014].
Для измерения плотности потока тепловых нейтронов сцинтилляционным методом необходимы сцинтилляционные материалы, основными свойствами которых являются: повышенное сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами; оптимальная длина волны излучения сцинтилляционной вспышки, согласующаяся со спектральной чувствительностью фотоприемника; высокий световыход сцинтилляций; небольшое время высвечивания.
6
10
6
10
В радиационных исследованиях и в дозиметрическом контроле для регистрации тепловых нейтронов широкое распространение получили различные сцинтилляционные среды, содержащие изотопы Li и B. В частности на практике длительное время успешно используются 1 л-стекло (время высвечивания ~75 нс), LiF/ZnS(Ag) - смесь (время высвечивания ~200 нс), органический B-содержащий сцинтиллятор (время высвечивания ~3 нс). Эти материалы коммерчески доступны [http://www.detectors.saint-gobain.com/ или G.I. Britvich et al., A neutron detector on the basis of a boron-containing plastic scintillator. Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A 550 (2005) 343-358.]; находясь в твердом агрегатном состоянии, обладают хорошими механическими свойствами и позволяют организацию простой системы светосбора на фотоумножители.
6
Известна сцинтилляционная композиция из трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов [Патент Российской Федерации №2143711], один из которых, выполненный на основе Li-силикатного стекла, чувствителен к тепловым нейтронам. Однако эффективность регистрации тепловых нейтронов таким сцинтиллятором, определяемая соответствующей композицией, невысокая.
6
Известен сцинтилляционный детектор быстрых и тепловых нейтронов, содержащий датчик, включающий сцинтиллятор на основе органического водородсодержащего пластика, чувствительного к быстрым нейтронам и стеклянный сцинтиллятор на основе Li-силикатного стекла, чувствительного к тепловым нейтронам, соединенного с фотоэлектронным умножителем и блоком электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтилляторы выполнены в виде пластин с параллельными соприкасающимися гранями, оснащенные свинцовым коллиматором и размещенные в дополнительном полиэтиленовом накопителе тепловых нейтронов. [Патент Российской Федерации №2259573, 2005 г.]
Но рассмотренные детекторы нейтронов не подходят для размещения в центре полиэтиленовых замедлителей с условием соблюдения требуемой функции дозовой чувствительности.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности регистрации импульсного нейтронного излучения за счет снижения мертвого времени детектора (менее 100 нс) за биологической защитой ЯФУ и уменьшение числа просчетов нейтронов в импульсном поле излучения.
6
10
Для разработки полезной модели быстрого детектора нейтронов было выбрано в качестве детектора тепловых нейтронов литиевое (Li) стекло на основе анализа литературных данных и проведенных измерений как оптимальный вариант благодаря небольшому времени высвечивания (75 нс), высокой эффективности регистрации тепловых нейтронов и хорошей дискриминации γ-квантов. Использование в полезной модели полистирольного сцинтиллятора с добавкой B приводит к более худшей дискриминации γ-квантов.
6
Технический результат достигается тем, что сцинтилляционный детектор содержит стеклянный сцинтиллятор с добавкой изотопа Li, чувствительного к тепловым нейтронам и соединенного оптическим контактом через прозрачный световод из оргстекла с ФЭУ. Сам сцинтилляционный детектор помещается в центр шарового полиэтиленового замедлителя диаметром 254 мм. Выходной сигнал с фотоумножителя поступает на фронтальную электронику нейтронного детектора, которая состоит из усилителя сигналов, высоковольтного источника питания ФЭУ, формирователя выходных импульсов и выходных каскадов. Электроника работает в счетной моде с формировкой токового сигнала одновибратором с временной константой -100 нс и обеспечивает питание нейтронного детектора высоким напряжением, усиление и формирование сигнала с ФЭУ.
Внешний вид полезной модели приведен на фиг. 1. На фиг. 2 показана разработанная фронтальная электроника. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны рабочие характеристики нейтронного детектора, полученные с помощью разработанной фронтальной электроники при использовании радионуклидных источников.
-6
-8
2
2
-2
-2
ср
ср
Из фиг. 3 видно, что сигнал с детектора по времени занимает ≤200 нс, что позволяет без просчетов регистрировать импульсное нейтронное излучение в пределах контрольных уровней (1.2 мбэр/час), установленных на рабочих местах на экспериментальных установках ИФВЭ [Положение об организации работ по обеспечению радиационной безопасности в ГНЦ ИФВЭ (Регламент РК и РБ - 2009) от 25 мая 2010 г.]. При импульсном характере работы ускорителя (400 циклов/час) доза 1.2 мбэр/час соответствует 3·10 бэр/цикл. Из анализа спектров нейтронов за биологической защитой ускорителя ИФВЭ [Е.А. Белогорлов, Г.И. Бритвич, Г.И. Крупный и др. Методические вопросы применения многошарового спектрометра Боннера в радиационных исследованиях на ускорителе ИФВЭ: Препринт ИФВЭ 85-3. - Серпухов, 1985], выбираем самую консервативную оценку коэффициента конверсии поток-доза κ~1.4·10 бэр·см/нейтрон. (соответствует средней энергии E~5 МэВ спектра нейтронов), что дает оценку потока нейтронов F=214 нейтрон/см, соответствующего контрольному уровню. Специально для нашего детектора нейтронов сделана оценка его чувствительности η (импульс/нейтрон·см) в зависимости от энергии нейтрона, откуда для E~5 МэВ величина η=1.12 импульс/нейтрон·см, что соответствует N=214×1.12=240 импульс/цикл. [В.Н. Пелешко, Е.Н. Савицкая, А.В. Санников. Оптимизация конструкции дозиметра нейтронов с расширенным диапазоном энергий для высокоэнергетических ускорителей. Препринт ИФВЭ 2014-4. - Протвино, 2014]
1
На фиг. 5. показана зависимость плотности потока тепловых нейтронов (с энергией ниже границы поглощения кадмием 0.2 эВ) в центре шарового полиэтиленового замедлителя диаметром 254 мм от времени замедления. Время нарастания τ=2.2 µсек, время жизни τ=157 µсек. Число импульсов за время 300 µсек под кривой - 350 (~90% полного числа событий), максимальное число импульсов в интервале 1 µсек составляет 2.5 через 10 µсек после импульса нейтронного источника.
1
2
На начальном участке флюенс тепловых нейтронов достигает постоянного значения ~ через 10 µсек с τ=2.2 µсек [К. Бекурц, К. Виртц. Нейтронная физика. М., Атомиздат, 1968.]; τ - параметр уменьшения числа тепловых нейтронов в центре шара за счет утечки и поглощения. Измерены значения τ для полиэталеновых шаров радиусами R=0.75 см, 3.0 см, 6.0 см и 8.5 см на импульсном источнике нейтронов с энергией 14 МэВ. Из анализа этих данных τ=3.97+16.8·R-0.375·R где R [cm], откуда для R=12.7 см значение τ=157 µсек. [T. Kosako, T. Nakamura and S. Iwai. Estimation of response functions of moderating type neutron detectors by the time-of-flight method combined with a lead pile. Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A235 (1985) 103-122] Нормируя площадь под кривой на величину 400 импульсов, получаем максимальную оценку скорости счет ~2.5 импульса в интервале 1 µсек, которые надежно регистрируются детектором, см. фиг. 4.
На фиг. 1 представлена фотография детектора с полиэтиленовым шаровым замедлителем, в конусной части которого размещен ФЭУ со световодом, сам сцинтиллятор на основе литиевого стекла размещается в центре шарового замедлителя, а в нижнем цилиндрическом корпусе размещена фронтальная электроника.
На фиг. 6 показано время высвечивания сцинтиллятора при возбуждении альфа частицами источника плутоний-238 (α) и бета частицами источника стронций 90-иттрий 90-(β). Обработка временных распределений для альфа и бета излучений дают ~ одинаковые значения:
- быстрая компонента высвечивания τ=21 нс (40%);
- медленная компонента высвечивания τ=71 нс (60%).
Амплитудные спектры сцинтиллятора на основе литиевого стекла в оптическом контакте с фотоумножителем (фиг. 6).
На фиг. 7 показаны спектры энерговыделений в сцинтилляторе (в электронном эквиваленте): 1 - на поверхности шара из полиэтилена ⌀170 мм с источником нейтронов Pu-Ве в центре шара; 2 - экран из кадмия, помещенный между шаром и сцинтиллятором.
60
90
90
На фиг. 8 показаны спектры энерговыделений в сцинтилляторе (в электронном эквиваленте): 1 - на поверхности шара из полиэтилена ⌀170 мм с источником нейтронов Pu-Ве в центре шара; 2 - гамма источник Co, помещенный перед сцинтиллятором; 3 - бета источник Sr+Y, помещенный перед сцинтиллятором.