Устройство для измерения потока термоядерных нейтронов

 

Использование: в технике измерения параметров ионизирующих излучений, в частности, при радиационных исследованиях на генераторах термоядерных нейтронов. Сущность изобретения: устройство содержит сцинтилляционный датчик, состоящий из двух одинаковых органических кристаллов и фотоэлектронных умножителей. Кристаллы расположены под углами 90 и 0 градусов по отношению к направлению на источник. В схеме сравнения подключенного к датчику электронного блока за счет эффекта угловой анизотропии световыхода кристаллов формируется сигнал, равный разности токов двух фотоэлектронных умножителей и пропорциональный потоку термоядерных нейтронов. Изобретение упрощает конструкцию измерительного устройства, повышает оперативность проводимых измерений. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения параметров ионизирующих излучений и может быть использовано при радиационных исследованиях на генераторах термоядерных нейтронов.

Известны устройства для регистрации нейтронов различных энергий на основе пропорциональных счетчиков, камер деления [1] всеволнового счетчика Мак-Киббена [2] и др. которые используются в том числе и для измерения потока термоядерных нейтронов.

Их основной недостаток низкая точность измерения плотности потока нейтронов с энергией En 14 МэВ из-за чувствительности к нейтронам других энергий и сопутствующему гамма-излучению. Поэтому их использование для решения ряда задач, например, для применения в качестве монитора выхода генераторов термоядерных нейтронов в условиях размещения вокруг мишенного блока разнотипных исследуемых объектов, практически невозможно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является сцинтилляционный спектрометр [3] состоящий из органического кристалла, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), схемы селекции импульсов по их форме, блока формирования управляющего и линейного сигналов, дискриминатора импульсов и многоканального амплитудного анализатора. Устройство работает следующим образом. При упругом рассеянии нейтронов и гамма-квантов в органическом кристалле возникают протоны отдачи и электроны, соответственно, которые в свою очередь вызывают в веществе детектора сцинтилляции световые вспышки, которые затем с помощью ФЭУ преобразуются в электрические импульсы. Световыход кристалла зависит от энергии падающих частиц. Используя специфические особенности формы импульсов разделяют нейтронную и гамма-компоненты излучений. В блоке формирования формируются управляющий и линейный сигналы, которые подаются на вход многоканального амплитудного анализатора, с помощью которого измеряют аппаратурные спектры. Затем, используя сложную математическую обработку, восстанавливают нейтронный и гамма-спектры. Зная время измерений и площадь пика нейтронов с энергией En 14 МэВ, определяют потока термоядерных нейтронов.

Недостатками данного устройства являются: сложность электронной аппаратуры, зависимость надежности ее работы от внешних факторов напряжений питания, температуры и влажности окружающей среды и т.д.

использование для получения конечных результатов измерений сложной математической обработки, невозможность получения оперативной информации в режиме реального времени.

Настоящее изобретение направлено на повышение оперативности получения результатов измерений, упрощение конструкции измерительного устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что сцинтилляционный датчик состоит из двух одинаковых органических кристаллов и ФЭУ. Кристаллы расположены под углами 90 и 0 градусов по отношению к направлению на источник термоядерных нейтронов, а в схеме сравнения формируется сигнал, равный разности токов двух ФЭУ и пропорциональный потоку нейтронов с энергией En 14 МэВ.

В основу работы предлагаемого устройства положен эффект угловой анизотропии органического кристалла зависимость световыхода кристалла от направления движения протона отдачи относительно главной оси кристалла. Этот эффект для термоядерных нейтронов составляет 18 20% За счет этого эффекта при воздействии нейтронов с одной и той же энергией на анодах ФЭУ образуются электрические импульсы, различные по амплитудам, в зависимости от размещения кристалла относительно направления на источник. При этом, при размещении кристалла под углом 90 град. по отношению к направлению на источник амплитуда импульсов максимальная, а при размещении кристалла под углом 0 град. по отношению к направлению на источника амплитуда импульсов минимальная. С помощью дискриминатора дискриминируют все импульсы как от нейтронного, так и от гамма-излучений с максимальными амплитудами меньшими, чем от нейтронов с энергией En 14 МэВ. Порог дискриминации выставляется при размещении кристаллов под углом 0 град. по отношению к направлению на источник, когда эффект угловой анизотропии для обоих кристаллов минимальный, с помощью многоканального амплитудного анализатора. Порог дискриминации выставляют таким, чтобы загрузка анализатора производилась только импульсами от протонов отдачи с максимальной энергией Ep 14 МэВ. Использование токового режима работы ФЭУ позволяет размещать устройство вблизи от источника мишенного блока генератора нейтронов. Так как в месте размещения устройства доля гамма-квантов, от которых амплитуда импульса сравнима с амплитудой импульса от нейтронов с энергией En 14 МэВ, в суммарном потоке излучений невелика и составляет менее 10% а эффект угловой анизотропии от гамма-квантов составляет 1 3% то вкладом гамма-компоненты, лежащей выше порога дискриминации, можно пренебречь. Поскольку порог дискриминации для обоих плечей устройства выбран одинаковым, то интенсивность поступления импульсов после дискриминатора в том плече, где кристалл расположен под углом 90 градусов по отношению к направлению на источник, за счет максимального эффекта угловой анизотропии световыхода кристалла будет больше, чем в том плече, где кристалл расположен под углом 0 градусов по отношению к направлению на источник. Разность интенсивностей поступления импульсов после дискриминаторов в плечах устройства пропорциональна потоку термоядерных нейтронов.

Влияние внешних факторов в обоих плечах устройства носит одинаковый характер и в схеме сравнения компенсируется.

Данное устройство позволяет: исключить схему разделения нейтронной и гамма-компонент излучений, схему формирования управляющего и линейного сигналов, а также многоканальный амплитудный анализатор, тем самым значительно упростить конструкцию измерительного устройства; исключить математическую обработку экаспериментальной информации, тем самым давая возможность получать оперативную информацию о потоке нейтронов с энергией En 14 МэВ в любой момент времени.

Вышеизложенное обеспечивает достижение технического результата.

Блок-схема устройства представлена на фиг. 1. Оно состоит из двух одинаковых органических кристаллов 1, 2, например, стильбена размером 40 х 40 мм, двух одинаковых фотоэлектронных умножителей 3, 4, например, ФЭУ-93, блоков высоковольтного 5 и низковольтного 9 питания, например, БНВ2-95 и БНН-151, двух амплитудных дискриминаторов 6, резистора R1 балансировки напряжения смещения на ФЭУ, устройства сравнения 7, устройства регистрации 8, например, микроамперметра М494.

Устройство работает следующим образом.

Под действием нейтронов и гамма-квантов на анодах ФЭУ появляются электрические импульсы с амплитудами, зависящими от энергий и углов падения нейтронов и гамма-квантов.

С помощью резистора R1 изменяют высокое напряжение, подаваемое на катоды ФЭУ, и тем самым изменяют коэффициенты усиливания ФЭУ, добиваясь того, чтобы максимальные амплитуды импульсов, вызванных нейтронами с энергией En 14 МэВ, на анодах ФЭУ были одинаковыми. С помощью амплитудных дискриминаторов 6 дискриминируют все импульсы, вызванные нейтронами меньших энергий. Для определения уровня дискриминации используется многоканальный амплитудный анализатор, например, АИ-1024-95.

При настройке устройства кристаллы размещают под углом 45 градусов по отношению к направлению на источник термоядерных нейтронов, когда эффект угловой анизотропии одинаков для обоих кристаллов. Посредством устройства сравнения 7 выставляют "0" на регистрирующем устройстве 8.

Затем устанавливают устройство в рабочее положение: кристалл 1 под углом 0, а кристалл 2 под углом 90 градусов по отношению к направлению на источник, когда эффект угловой анизотропии минимальный и максимальный, соответственно.

Во время измерения на выходах амплитудных дискриминаторов получают различные по интенсивности поступления сигналы, которые подаются на вход устройства сравнения 7. На выходе схемы сравнения формируется сигнал, пропорциональный разности интенсивностей поступления сигналов на входе, который измеряется с помощью устройства регистрации 8. Коэффициент пропорциональности, позволяющий перейти от величины измеряемого тока к величине потока термоядерных нейтронов, определяется при калибровке устройства для конкретного его месторасположения.

Формула изобретения

Устройство для измерения потока термоядерных нейтронов, содержащее сцинтилляционный датчик, включающий органический кристалл и фотоэлектронный умножитель и подключенный к датчику электронный блок, состоящий из дискриминатора импульсов и регистратора сигнала, отличающееся тем, что он дополнительно содержит второй сцинтилляционный датчик, идентичный первому, соединенный с вторым дискриминатором импульсов, причем кристаллы датчиков расположены под углами 90^o и 0^o по отношению к направлению на источник, а выходы дискриминаторов импульсов соединены с входом схемы сравнения, соединенной с регистратором сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1