УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МОНОНАПРАВЛЕННОГО НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ СОПУТСТВУЮЩЕГО ГАММА-ФОНА
DEVICE FOR DETECTING MONODIRECTIONAL NEUTRON RADIATION IN PRESENCE OF ASSOCIATED GAMMA-BACKGROUND

Изобретение относится к области радиационных измерений и может быть использовано для регистрации плотности потока мононаправленного нейтронного излучения при работе на ядерно-физических установках различного типа и назначения.
-10
Известен детектор радиоактивных излучений, который основан на принципе переноса заряда вторичных высокоэнергетических электронов (Г.Ф. Иоилев, В.А. Сафонов - Детекторы с диэлектрическим рассеивателем - Приборы и техника эксперимента, т. 14, вып. 5, с. 210, 1969; Иванов В.И., Кулаков Г.В., Трухин Г.Е. - Детектор прямой зарядки гамма-излучения. - Вопросы дозиметрии и защиты от излучений, 1971, вып. 12, с. 187-191). Например, таковым является предназначенный для регистрации гамма-излучения детектор с диэлектрическим рассеивателем (ДДР) [Г.Ф. Иоилев, В.А. Сафонов - Детекторы с диэлектрическим рассеивателем - Приборы и техника эксперимента, т. 14, вып. 5, с. 210, 1969]. Перенос заряда в ДДР осуществляется вторичными высокоэнергетическими электронами, которые образуются за счет комптоновского и фотоэффектов при взаимодействии гамма-излучения в материалах конструкции детектора. ДДР состоит из корпуса и сигнального электрода, которые разделены двумя одинаковыми диэлектрическими слоями. Высокое временное разрешение детектора достигается за счет пренебрежимо малого времени, необходимого для образования вторичных электронов (менее 10 с).
Известно защищенное авторским свидетельством изобретение-аналог 713293 A1, G01T 3/00, 1978 год «Детектор мононаправленного нейтронного излучения» (М.В. Яковлев, И.С. Терешкин, Г.В. Кулаков, Н.А. Комаров), которое основано на измерении радиационного стороннего тока протонов, образующихся в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов водорода в облучаемом материале - рассеивателе (протоны отдачи). Как показано на фиг. 1, прибор состоит из металлического корпуса (1), внутри которого расположен рассеиватель (2), выполненный из водородосодержащего материала, например полиэтилена. За рассеивателем расположен коллектор заряда (3), который выполнен в виде металлической пластины и имеет толщину, достаточную для полного поглощения протонов отдачи. Далее между коллектором и корпусом расположена электроизолирующая пластина (4) из материала, не содержащего водород. Коллектор подключен к электроизмерительному прибору. Толщина полиэтиленовой пластины - рассеивателя, d, выбирается много меньше пробега нейтронов, но значительно больше пробега вторичных протонов отдачи в данном материале. Корпус и коллектор выполнены из алюминия, причем толщина корпуса выбирается так, чтобы при наличии сопутствующего гамма-фона не нарушались условия гамма-электронного равновесия внутри детектора. Указанный тип детекторов известен в литературе как детектор с водородосодержащим рассеивателем - ДВР (см. Фиг. 1).
1
2
3
2
p
3
При облучении нейтронами со стороны рассеивателя сигнал коллектора ДВР обусловлен сбором заряда протонов отдачи, q, а также токами смещения от объемных зарядов, q, q, которые образуются внутри рассеивателя. Вблизи границы раздела с металлическим корпусом за счет оттока протонов отдачи образуется область отрицательного объемного заряда, q, которая имеет ширину, d, равную максимальному пробегу протонов отдачи. Положительный объемный заряд, q, образуется за счет ослабления потока нейтронов и имеет сравнительно малую величину, поэтому отрицательный объемный заряд по абсолютной величине приблизительно равен заряду протонов отдачи, инжектируемых в коллектор. Однако в силу выбранной геометрии детектора емкостная связь отрицательного заряда с коллектором значительно меньше, чем с корпусом, поэтому вклад отрицательного заряда в результирующий положительный сигнал детектора оказывается незначительным.
При облучении нейтронами с противоположной стороны сигнал детектора определяется отрицательным объемным зарядом, который находится в области рассеивателя, граничащей с коллектором.
Линейность показаний детектора соблюдается до тех пор, пока объемный заряд, накапливаемый в рассеивателе, не будет оказывать влияния на прохождение вторичных высокоэнергетических протонов отдачи. Это условие реализуется в широком диапазоне флюенсов воздействующего нейтронного излучения. Временное разрешение детектора определяется его собственной емкостью и параметрами регистрирующего тракта и может быть доведено до единиц наносекунд. Детектор обладает пониженной чувствительностью к сопутствующему гамма-излучению при работе в полях смешанного гамма-нейтронного излучения, поскольку внутри детектора в первом приближении выполняются условия гамма-электронного равновесия.
Известно защищенное авторским свидетельством изобретение-прототип 950051 A1, G01T 3/06, 1981 год «Устройство для регистрации мононаправленного нейтронного излучения» (М.В. Яковлев, И.С. Терешкин, Б.А. Шилобреев), содержащее два сцинтилляционных кристалла, которые имеют оптическую связь с фотокатодами фотоэлектронных фотоумножителей (ФЭУ). Фотоумножители подключены к электроизмерительному прибору через схему вычитания. Сцинтилляционные кристаллы расположены последовательно по направлению облучения и разделены слоем металла толщиной, значительно меньшей длины пробега вторичных протонов отдачи. Сцинтилляционные кристаллы выполнены из водородсодержащего материала и имеют толщину, равную пробегу наиболее высокоэнергетических протонов отдачи. Все элементы устройства, включая корпус, сцинтилляционные кристаллы, разделяющий их слой металла и фотокатоды ФЭУ, изготовлены из материалов с близкими эффективными атомными номерами.
По сравнению с детекторами, основанными на принципе переноса заряда, повышение точности измерения в устройстве-прототипе достигается за счет расширения динамического диапазона усилительного тракта регистрирующей аппаратуры, включая возможности фотоэлектронного умножителя и блока электронных усилителей. Выбранная геометрия сцинтилляционных кристаллов и их подключение через схему вычитания обеспечивают компенсацию сигналов от сопутствующего гамма-фона. Так происходит потому, что для материалов с близкими эффективными атомными номерами внутри детектора реализуются условия, близкие к условиям гамма-электронного равновесия, и сигналы в сцинтилляционных кристаллах от сопутствующего гамма-фона приблизительно равны между собой.
Показания устройства-прототипа определяются разностью сигналов, обусловленных действием протонов отдачи в первом и втором сцинтилляционных кристаллах. В первом кристалле поток протонов отдачи возрастает от нуля до максимального значения. Во втором кристалле поток протонов отдачи имеет максимальную величину по всей толщине кристалла. К недостаткам устройства-прототипа относится недостаточно большое отличие сигналов в первом и втором кристаллах (~ в 1.5 раза), что обуславливает недостаточно высокую чувствительность устройства-прототипа к действию нейтронного излучения.
Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности устройства для регистрации мононаправленного нейтронного излучения при наличии сопутствующего гамма-фона.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве, которое представлено на Фиг. 2.
Устройство содержит два сцинтилляционных кристалла (2) и (4), которые выполнены из материала, содержащего водород, и имеют толщину, равную длине пробега наиболее высокоэнергетических протонов отдачи. Кристаллы расположены в корпусе (1) последовательно по направлению облучения и разделены слоем металла (3), который имеет толщину, значительно меньшую пробега протонов отдачи. В состав устройства входят два фотоэлектронных умножителя (8) и (9), которые связаны оптически со сцинтилляционными кристаллами и подключены через схему вычитания к электроизмерительному прибору. Сцинтилляционные кристаллы, разделяющий их слой металла, фотокатоды фотоэлектронных умножителей и корпус устройства изготовлены из материалов с близкими эффективными атомными номерами.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит третий сцинтилляционный кристалл (6), который выполнен из материала, не содержащего водород, расположен за вторым кристаллом, имеет равную с ним толщину и отделен от него слоем металла (5) толщиной, равной пробегу наиболее высокоэнергетических протонов отдачи, образующихся в сцинтилляционном кристалле (4). При этом фотоэлектронный умножитель (8) имеет оптическую связь (7) с третьим сцинтилляционным кристаллом, а фотоэлектронный умножитель (9) имеет оптическую связь (10) со вторым и сцинтилляционным кристаллом.
Перенос протонов отдачи извне в третий сцинтилляционный кристалл отсутствует, поскольку все протоны отдачи поглощаются в слое металла (5). Третий сцинтилляционный кристалл не содержит водород, и собственные протоны отдачи в нем не образуются. Поэтому сигнал, регистрируемый в третьем кристалле, определяется только сопутствующим гамма-фоном и равен соответствующему сигналу от гамма-фона во втором кристалле (эквивалентные атомные номера второго и третьего кристаллов близки друг другу). Первый водородосодержащий кристалл в заявляемом устройстве играет ту же роль, что и в устройстве-прототипе, а именно, в нем происходит нарастание тока протонов отдачи до максимального значения на границе со вторым кристаллом.
При вычитании сигналов фотоэлектронных умножителей, фотокатоды которых контактируют со вторым и третьим кристаллами, сигналы за счет сопутствующего гамма-фона в заявляемом устройстве взаимно компенсируются, а полезный сигнал от протонов отдачи будет превышать величину сигнала, регистрируемого в устройстве-прототипе. Таким образом, достигается повышение чувствительности заявляемого устройства к действию мононаправленного нейтронного излучения при его пониженной чувствительности к сопутствующему гамма-фону.