РАДИАЦИОННО-ПРОЧНЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к детектированию ионизирующих излучений, более конкретно - к регистрации потоков нейтронных, гамма, протонных, электронных и альфа-излучений, имеющих настолько высокие интенсивности, что обычные радиационные детекторы из твердотельных чувствительных элементов (сцинтилляционные или полупроводниковые) быстро выходят из строя по причине радиационных повреждений. Это изобретение имеет отношение к ядерной технике и энергетике (измерения радиационных потоков внутри активных зон ядерных реакторов, в хранилищах радиоактивных топливных элементов или радиационных отходов, в термоядерных реакторах и т.д.), физике элементарных частиц высоких энергий, технике радиационных измерений в открытом космосе и т.д.
Принцип использования сцинтилляционных детекторов для измерений ионизирующих излучений хорошо известен и широко применяется в радиационном мониторинге местности, антитеррористическом контроле, медицинской диагностике путем рентгенографии и позитронной томографии и т.д. Ионизирующие частицы, (рентгеновские или гамма-кванты, нейтроны, протоны и т.д.), попадая в сцинтилляционный элемент, вызывают в нем вспышку света (называемую сцинтилляцией), а эта вспышка регистрируется фотодетектором или фотопленкой. Серьезный недостаток подобной схемы при измерениях радиационных потоков высокой интенсивности - накопление в сцинтилляционных чувствительных элементах структурных дефектов, создаваемых радиацией и приводящих к настолько существенным изменениям в характеристиках элементов, что дальнейшие адекватные измерения становятся невозможными. Например, в активных зонах ядерных реакторов подобные разрушительные изменения сцинтилляционных элементов происходят в течение нескольких минут, что делает практически невозможным применение обычных сцинтилляторов для внутриреакторного радиационного контроля.
Из близких по устройству и назначению предмету данного патента известны, по крайней мере, два варианта решения проблемы сохранения стабильности характеристик чувствительных элементов при интенсивных радиационных потоках (способность материала сохранять стабильные характеристики в интенсивном радиационном потоке называется радиационной прочностью). Первый вариант использует радиационно-прочные полупроводниковые элементы, изготовленные из кристаллов «безазотного» природного алмаза (Д.В.Просвирин, В.Н.Амосов, А.В.Красильников, Н.М.Гвоздева, «Дозиметр оперативного контроля для определения мощности дозы на основе детектора из природного алмаза», «Приборы и техника эксперимента», 2004, №5, с.113-116). Радиационная прочность таких детекторов, по крайней мере, на порядок превышает радиационную прочность кремниевых детекторов ангалогичного назначения. При попадании в кристаллы алмаза ионизирующих частиц их электропроводность претерпевает изменения импульсного характера, которые регистрируются через систему электрических проводов, выводящих индуцированный излучением электрический сигнал к аппаратуре, установленной вне активной зоны, где интенсивная радиация отсутствует. Приведенная схема имеет, по крайней мере, два недостатка: провода, выводящие электрический сигнал к аппаратуре, имеют значительную длину (несколько метров) и поэтому подвержены воздействию электрических наводок от множества электрических устройств, действующих в зоне реактора (насосов, систем ввода - вывода поглотительных стержней и т.д.) и искажающих сигналы от чувствительных элементов. «Безазотные» природные аламазы по радиационной прочности существенно лучше других кристаллов, используемых в радиационных детекторах, но они все же подвержены заметным повреждениям при накоплении определенной дозы радиации (выражающимся, например, в графитизации отдельных областей кристалла).
Второй вариант регистрации ионизирующих излучений не имеет приведенных выше недостатков регистрации с помощью алмазных полупроводниковых детекторов.
В нем роль чувствительных сцинцилляционных элементов выполняют полые элементы, наполненные сцинтиллирующим газом, световой сигнал от которых выводится с помощью радиационно-прочных световодов к фотодетекторам, установленным за пределами активной зоны. В качестве радиационно-прочных световодов используются световодные волокна из плавленого кварца, прошедшие специальную обработку ионами - протекторами, которые повышают радиационную стабильность оптической прозрачности световодов в определенном спектральном диапазоне (патент РФ 2253135). Этот патент выбирается нами за прототип.
НЕДОСТАТКИ выбранного прототипа:
- по причине низкой плотности газовой среды она слабо поглощает ионизирующие излучения, а поэтому для набора достаточной чувствительности газонаполненные камеры должны иметь существенно увеличенные по сравнению с твердотельными детекторами размеры;
- кварцевые световоды в конечном итоге накапливают радиационные дефекты, которые снижают оптическую прозрачность световодов и делают невозможным их дальнейшее использование, т.е. рабочий ресурс данного типа детекторов в активных зонах ограничен.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении длительности времени работы сцинтилляционного детектора без изменения характеристик внутри активных зон ядерных реакторов и в других местах с интенсивной радиацией.
Для достижения заявленного технического результата в радиационно-прочном сцинтилляционном детекторе, содержащем чувствительные сцинтилляционные элементы и световод, выводящий световые сигналы от сцинтилляционных элементов к фотодетекторам, расположенным за пределами зоны с интенсивной радиацией, в качестве сцинтилляционных элементов используются радиационно-прочные сцинтилляционные наночастицы, а световодом служит микрокапиллярная структура с полой сердцевиной, окруженной микрокапиллярами, образующими в поперечном сечении фотонный кристалл для излучаемого наносцинтилляторами света, так что распространение этого света в поперечном к оси световода направлении запрещено.
Применяемые нанокристаллические сцинтилляторы, обладают многократно повышенной радиационной прочностью по сравнению с объемными сцинтилляторами. Это достигается за счет близости любой точки наночастицы к ее внешней поверхности, при этом структурные дефекты, созданные в ней ионизирущими излучениями, быстро выводятся на поверхность и там аннигилируют. Практически для любой интенсивности радиации можно подобрать настолько малые размеры наносцинтилляторов, что дефекты, соданные очередным ионизирующим квантом, успеют выйти на поверхность до поглощения следующего кванта.
Используемые световоды имеют полую сердцевину и окружающую ее специально организованную оболочку из микрокапилляров, образующих в поперечном сечении фотонный кристалл, который создает для поперечного света запрещенную зону и поэтому проходящий по сердцевине световой поток испытывает на границах оболочки полное внутреннее отражение. Тем самым осуществляется локализация светового потока вдоль оси световода
Нанокристаллические сцинтилляторы вводятся в ту часть сердцевины световода, которая находится в области, где необходимо контролировать радиационные потоки. Радиационная стабильность параметров световода обеспечивается двумя факторами: прилегающая к оси область световода, по которой распространяется основной световой поток, является пустотелой и поэтому не подвержена воздействию радиации. Стенки между микрокапиллярами, которые обеспечивают локализацию светового потока вдоль оси световода, достаточно тонки для того, чтобы созданные в них радиационные дефекты не создавали заметных оптических потерь.
Отличительными особенностями заявляемого радиационно-прочного детектора являются:
- Использование в качестве чувствительных элементов сцинтилляционных наночастиц, со значительно увеличенной поглощательной способностью ионизирующего излучения и, следовательно, с высокой чувствительностью.
- Использование специальных световодов с полой сердцевиной и образующих в поперечном сечении фотонный кристалл для излучаемого сцинтилляторами света.
Радиационно-прочный детектор состоит из чувствительного сцинтилляционного элемента 1, введенного в световод 2, который соединен с фотодетектором 3, расположенным за пределами зоны с интенсивной радиацией.
Ионизирующее излучение попадая в чувствительную часть детектора, взаимодействует с наночастицами сцинтилляторов 1, расположенных в осевой полости световода 2, вызывают в них вспышки света, которые захватываются осевой полостью и доставляются по ней к фотодетектору 2, расположенному на выходном торце световода, находящемся уже за пределами активной зоны реактора. Радиационные дефекты, созданные в провзаимодействовавшей с ионизирующим излучением наночастице, выводятся на ее поверхность и аннигилируют раньше, чем данная наночастица снова вступит в подобное взаимодействие.