Детектор для регистрации ионизирующих излучений

 

Изобретение относится к области дозиметрии быстрых и тепловых нейтронов и гамма-излучения и предназначено для использования в комплексах и системах радиационного контроля. Сущность изобретения заключается в том, что детектор выполнен в виде трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов: внешнего нейтронного сцинтиллятора, выполненного из чувствительного к быстрым нейтронам органического водородсодержащего вещества на основе пластмассы (СН)_n или стильбена (сцинтиллятор с колодцем), размещенного в колодце внешнего сцинтиллятора сцинтилляционного кристалла NaI-Тl в стандартном контейнере, чувствительного к гамма-излучению, и внутреннего сцинтиллятора на основе ⁶Li-силикатного стекла, активированного церием, чувствительного к тепловым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, помещенных в единый корпус, а блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от нейтроно-чувствительных сцинтилляторов и от гамма-чувствительного сцинтиллятора, а также спектрометрический анализатор для обработки сцинтиимпульсов от сцинтилляционного кристалла Nаl-Тl. Технический результат: устройство обеспечивает счет нейтронов и спектрометрический анализ гамма-квантов. Существует возможность раздельной регистрации быстрых и тепловых нейтронов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство относится к области дозиметрии быстрых и тепловых нейтронов и гамма-излучения: особо к области дозиметрии тепловых нейтронов, оно пригодно для использования в комплексах и системах радиационного контроля, предназначенных для обнаружения делящихся материалов (урана, плутония, калифорния и изделий из них), для радиационного обследования ядерных субмарин, подлежащих разборке, для решения задач Госатомнадзора, таможенного контроля, для служб дозиметрической и ядерной безопасности предприятий по переработке ядерного горючего.

Известные детекторы ядерных излучений содержат, как правило, датчик и блок электронной обработки сигналов [1-7].

Известен детектор нейтронов сцинтилляционного типа с датчиком на базе кристаллов ⁶LiI-Eu, содержащий изотоп ⁶Li [1]. Однако такой детектор является гигроскопичным и имеет весьма большую длительность сцинтилляций (1400 нс), что не позволяет обеспечить высокую загрузочную способность детектора, а главное, такой детектор обладает низкой чувствительностью (эффективностью) при регистрации нейтронов на гамма-фоне, поскольку, наряду с нейтронами, детектор одновременно регистрирует и гамма-кванты, сигналы от которых трудно разделимы, поскольку имеют одинаковые спектральные и временные параметры. Кроме того, известный детектор [1] не пригоден для спектрометрии гамма-излучения.

Известный селективный детектор нейтронов по патенту [2] содержит два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, в то время как другой чувствителен только к заряженным частицам; число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с этих датчиков, выделяемым с помощью разностной схемы электронного блока. Однако возможность применения такого детектора для регистрации гамма-излучения в патенте [2] не оговорена, и, кроме того, для датчика, чувствительного одновременно к заряженным частицам и нейтронам, эффективность регистрации не может быть высокой.

Известный детектор [3] нескольких излучений включает два сцинтилляционных датчика с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой - к низкоэнергетическому, и электронный оптический блок регистрации, выделяющий сигналы от датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов. Такой детектор имеет ограниченные области применения, по данным [3] он пригоден для регистрации рентгеновского излучения с двумя различными энергиями, однако он не пригоден для регистрации нейтронов и одновременно спектрометрии гамма-излучения.

Известен всеволновой детектор нейтронов [4], датчик которого состоит из ³He счетчиков, чувствительных к тепловым нейтронам, однако такой детектор не пригоден для одновременной регистрации нейтронов и гамма-излучения, не пригоден для спектрометрии гамма-излучения.

Известен детектор [5], датчик которого представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации гамма-излучения и быстрых нейтронов. Детектор имеет следующие характеристики: длительность сцинтиимпульса, создаваемого нейтроном или гамма-квантом, - 8,5 нс; световой выход (УЕСВ по ГОСТ 23077-78) при возбуждении электронами с энергией 662 кэВ, - 0,29; максимум спектра люминесценции 490 нм, диаметр и высота до 50 мм. Однако такой детектор не пригоден для спектрометрии гамма-излучения.

Известен детектор надтепловых нейтронов [6], который содержит датчик тепловых нейтронов, защиту от тепловых нейтронов, окружающую этот датчик; замедлитель надтепловых нейтронов, которые проникают через защиту, с тем чтобы эти нейтроны легче поглощались счетчиком. Толщина замедлителя и отношение диаметра счетчика к внешнему диаметру замедлителя таковы, что максимальная скорость счета, которую можно получить, когда счетчик полностью заполняет внутренний диаметр защиты от тепловых нейтронов. Однако известный детектор [6] не позволяет регистрировать гамма-излучение и соответственно не позволяет обеспечить спектрометрию гамма-излучения.

Известен детектор [7] , аналогичный детектору [5], для регистрации ионизирующего излучения по патенту США. Детектор содержит датчик, в частности сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и блок электронной обработки сигналов, включающий в себя электронную схему селекции для разделения сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами. Однако любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронов и гамма-лучей, поскольку не обладает достаточно высокой чувствительностью, избирательностью и необходимыми функциональными возможностями. Известный детектор [7] не пригоден для спектрометрии гамма-излучения.

Из всех известных детекторов для регистрации ионизирующих излучений наиболее близким к заявляемому является детектор, описанный в патенте [8]. Известный детектор [8] содержит датчик и блок электронной обработки сигналов; датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также α-,β-,γ-излучениям, и световода, выполненного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, фотоэлектронного умножителя преобразующего световые вспышки (сцинтилляции) в электрические сигналы, а блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него от α-,β-,γ-сцинтиллятора Bi₄Ge₃O₁₂, сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода. Однако известный детектор [8], будучи чувствителен к быстрым нейтронам, не пригоден для регистрации тепловых нейтронов. Кроме того, устройство [8], в котором используются в качестве α-,β-,γ-сцинтиллятора ортогерманат висмута Bi₄Ge₃O₁₂, не может обеспечить спектрометрический режим с высоким энергетическим разрешением, поскольку энергетическое разрешение этих кристаллов обычно составляет 15 - 20%, тогда как у кристаллов NaI-Tl оно в 2 - 3 раза лучше и составляет 6 - 8%.

Предлагаемое устройство обеспечивает регистрацию как быстрых, так и тепловых нейтронов в счетном режиме, а также регистрацию гамма-излучения в спектрометрическом режиме с высоким энергетическим разрешением. Блок-схема заявляемого устройства приведена на чертеже. Заявляемое устройство содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик выполнен в виде трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов: внешнего нейтронного сцинтиллятора 1, выполненного из чувствительного к быстрым нейтронам органического водородсодержащего вещества на основе пластмассы (CH)_n или стильбена (сцинтиллятор с колодцем), размещенного в нем (в колодце внешнего сцинтиллятора) сцинтилляционного кристалла NaI-Tl 2 в стандартном контейнере, чувствительного к гамма-излучению, и внутреннего сцинтиллятора на основе ⁶Li-силикатного стекла 3, активированного церием, чувствительного к тепловым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, помещенных в единый корпус 5, а блок электронной обработки сигналов 6 включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от нейтроно-чувствительных сцинтилляторов (1 и 3) и от гамма-чувствительного сцинтиллятора (2), а также спектрометрический анализатор для обработки сцинтиимпульсов от сцинтилляционного кристалла NaI-Tl.

Сущность изобретения заключается в том, что внешний нейтронный сцинтиллятор, (выполненный из водородсодержащего вещества, избирательно чувствительного к быстрым нейтронам и регистрирующего их по создаваемым ими световым вспышкам) одновременно является замедлителем быстрых нейтронов, причем толщина внешнего сцинтиллятора 1 выбирается такой, чтобы нейтроны замедлялись до тепловых энергий. Тепловые же нейтроны регистрируются внутренним стеклянным сцинтиллятором 3, содержащим изотоп ⁶Li. Регистрируются за счет ядерной реакции ⁶Li(n,α)³H: возникающая в результате этой реакции α-частица вызывает внутри сцинтиллятора световые вспышки. Внутренний нейтронный сцинтиллятор 3 изготовлен из материала (стекла), прозрачного для световых вспышек, поступающих на фотоэлектронный умножитель от внешнего нейтронного сцинтиллятора и от размещенного в колодце кристалла NaI-Tl. Для этих вспышек он играет роль световода. Кристалл NaI-Tl ("утробный" сцинтиллятор) служит для регистрации гамма-квантов.

Устройство работает в полях нейтронного и сопутствующего ему и требующего учета и спектрометрического анализа гамма-излучения следующим образом. Под действием быстрых нейтронов, попадающих в объем внешнего сцинтиллятора (из стильбена или прозрачной пластмассы (CH)_n), в нем возникают световые вспышки с длиной волны излучения 400-420 нм с длительностью до 2-3 нс. Эти световые вспышки, создаваемые быстрыми нейтронами, поступают через оптические контакты и внутренний стеклянный сцинтиллятор, играющий в данном случае роль световода (с минимальными оптическими потерями), на фотокатод ФЭУ, создавая на выходе его электрические импульсы длительностью 2-3 нс. Быстрые нейтроны, проходя через внешний нейтронный сцинтиллятор и неся радиационные потери в виде световых вспышек (благодаря чему они и регистрируются), теряют свою энергию в основном не за счет этих световых вспышек, а за счет столкновения с ядрами водорода, входящего в состав сцинтилляционного материала, и замедляются. Толщина замедлителя выбирается такой, чтобы быстрые нейтроны перед попаданием во внутренний стеклянный сцинтиллятор были замедлены до тепловых энергий. Тепловые нейтроны поступают во внутренний сцинтиллятор, содержащий радионуклид ⁶Li в концентрации до 10²¹ см^-3, достаточной для обеспечения высокой эффективности их регистрации в результате ядерной реакции ⁶Li+n _→ α(⁴₂He)+³H, протекающей на ядрах ⁶Li и имеющей сечение более 900 барн. Для сравнения укажем, что обычно применяемые для регистрации тепловых нейтронов газоразрядные ³He-счетчики (реакция (n,p) с сечением приблизительно 4000 барн) обладают меньшей общей эффективностью регистрации нейтронов, нежели ⁶Li-стекла из-за низкой плотности ядер ³He в газовом объеме счетчика. Альфа-частицы реакции ⁶Li(n,α)³H вызывают во внутреннем силикатном стекле световые вспышки с длинной волны излучения 395 - 400 нм и длительностью 60 нс. Эти световые вспышки поступают через оптический контакт на фотокатод ФЭУ, создавая на его выходе электрические импульсы длительностью 60 нс. Толщину внутреннего стеклянного сцинтиллятора выбирают небольшой: 0,8 - 1 мм, чтобы снизить возможное появление во внутреннем стеклянном сцинтилляторе шумовых гамма-сцинтилляций. Возможное их появление не снижает, однако, отношения сигнал/шум, создаваемого внутренним сцинтиллятором, поскольку эти шумовые гамма-кванты легко дискриминируются электронным блоком обработки информации.

Гамма-кванты, испускаемые источником излучения, подлежащим обнаружению и идентификации, легко проникают через водородсодержащий материал внешнего сцинтиллятора и регистрируются с помощью входящего в состав датчика тяжелого кристалла NaI-Tl, размещенного в колодце ("утробе") внешнего сцинтиллятора. Гамма-кванты вызывают в кристалле NaI-Tl световые вспышки длиной волны излучения 410 нм и длительностью τ = 250 нс. Эти световые вспышки (τ = 250 нс) поступают через оптические контакты и внутренний стеклянный сцинтиллятор, играющий для гамма-сцинтилляций роль световода, на фотокатод ФЭУ, создавая на выходе его электрические импульсы длительностью 250 нс.

Таким образом, когда нейтронное и гамма-излучение провзаимодействует с чувствительными элементами (сцинтилляторами) датчика, на блок электронной обработки информации с ФЭУ будут поступать три группы сигналов, различающихся по длительности. Одна группа сигналов, связанная с быстрыми нейтронами, будет иметь малую длительность не выше 3-5 нс, вторая группа сигналов, связанная с регистрацией тепловых нейтронов, будет иметь длительность ≈60 нс и, наконец, третья группа сигналов, обусловленная гамма-квантами, имеет длительность ≈250 нс. Эти группы сигналов разделяются схемой временной селекции. Выделенная группа сигналов с длительностью 250 нс поступает на спектрометрический блок-анализатор, позволяющий определить спектр энергий регистрируемого гамма-излучения, слабые дополнительные сигналы от гамма-квантов, возникающие во внешнем водородсодержащем сцинтилляторе с длительностью сцинтиимпульсов 3 нс, легко дискриминируются. Таким образом, устройство обеспечивает счет нейтронов и спектрометрический анализ гамма-квантов.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность как раздельной регистрации быстрых и тепловых нейтронов, так и определения суммарного количества быстрых и тепловых нейтронов от подлежащих обнаружению источников нейтронов сложного спектрального состава, в том числе соответствующего спектру деления делящихся материалов.

Литература 1. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. Изд. МГУ, Москва, 1963.

2. Селективный детектор нейтронов. Патент США N 3688118, G 01 T 1/00, 1/20, 1972.

3. Детектор нескольких излучений. Заявка ЕВП (EP) N 0311503, G 01 T 1/00, 1/20, 1989.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. Москва, Энергоатомиздат, 1988, 399 с.

5. Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского физико-технического института, 1990.

6. Детектор надтепловых нейтронов. Патент США N 4241253б G 01 T 3/00, 1980.

7. Прибор для измерения нейтронов и гамма-лучей. Патент США N 4482808, G 01 T 3/06, 1984.

8. Детектор для регистрации ионизирующих излучений. Патент РФ N 2088952. Опубл. 27.08.97, Бюл. N 24.

Формула изобретения

1. Детектор для регистрации ионизирующих излучений, нейтронов и гамма-квантов, содержащий датчик и блок электронной обработки информации, включающий схему временной селекции сцинтиимпульсов, отличающийся тем, что для регистрации быстрых и медленных нейтронов на фоне одновременно регистрируемого сопутствующего гамма-излучения датчик выполнен в виде трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов: внешнего нейтронного сцинтиллятора, выполненного из чувствительного к быстрым нейтронам водородсодержащего вещества на основе пластмассы (CH)_n или стильбена; сцинтиллятора Nal-Tl, чувствительного к гамма-излучению, размещенного в колодце внешнего сцинтиллятора; внутреннего стеклянного сцинтиллятора, чувствительного к тепловым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, помещенных в единый корпус, а блок электронной обработки сигналов дополнительно включает спектрометрический анализатор сцинтиимпульсов, поступающих в него от сцинтилляционного кристалла Nal-Tl.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что толщина внешнего сцинтиллятора из водородосодержащего материала выбирается достаточной для того, чтобы проходящие через сцинтиллятор быстрые нейтроны замедлялись до тепловых энергий.

3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве внутреннего сцинтиллятора, чувствительного к тепловым нейтронам, используют литийсиликатное стекло, активированное церием, содержащее изотоп ⁶Li в количестве до 10²²см^-3, достаточном для эффективной регистрации тепловых нейтронов.

РИСУНКИ

Рисунок 1