Устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов

 

Изобретение относится к исследованию материалов радиационными методами. В устройстве, состоящем из приемника оптического излучения, системы фокусировки и коллимации оптических лучей, выполненной из оптических объективов и диафрагмы, и экрана-преобразователя, трансформирующего нейтронный поток в оптическое излучение, экран-преобразователь выполнен в виде фигуры вращения с осью, проходящей через центр источника нейтронов, и внешней поверхностью специальной формы, а оптические объективы и диафрагма установлены на одной оси с экраном-преобразователем между источником нейтронов и приемником оптического излучения, при этом указанная фигура вращения может быть выполнена полой со стенками из любого прозрачного материала толщиной, определяемой его прочностью (около 1 мм), тогда как внутренняя полость фигуры заполнена водородосодержащей жидкостью, например трибутилфосфатом, в состав которого дополнительно введены ионы гадолиния и европия. Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности экрана, уменьшение влияния рассеянного излучения и ограничений на толщину и диаметр экрана. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оборудованию для исследования или анализа объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного или рентгеновского излучения.

Известно устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см., например, К. Yoshii and К. Miya. "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", A335, 1993, с.513-522, Mikerov V., Waschkowski W., "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", A-424, 1999, с.48-52), в котором экран выполнен в виде плоской пластины и состоит из однородной смеси водородосодержащего вещества и порошкового люминофора.

Действие экрана основано на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение. Видимое изображение формируется в результате образования протонов отдачи и последующего радиационного возбуждения оптического излучения зерен люминофора. Свет, испускаемый зерном, излучается во всех направлениях и частично выходит с поверхности, на которой находится двухкоординатный приемник оптического излучения, регистрирующий распределение интенсивности оптического излучения на этой поверхности.

Известный экран имеет низкую оптическую прозрачность вследствие его дисперсности. Это ограничивает толщину чувствительного слоя экрана, которая не должна превышать 1-2 мм, а его эффективность для регистрации быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ составляет не более 0,6%.

Известны люминесцентные экраны (см., например, В.Д. Аллен "Регистрация нейтронов", перевод с англ. под ред. Рыбакова, М.: Атомиздат, 1962 г.), выполненные в виде плоской пластины и содержащие жидкие или твердые прозрачные сцинтилляторы. Эти экраны прозрачны при большой их толщине.

Эффективность такого экрана может быть достаточно высокой. Однако плоская форма экрана приводит к тому, что большая доля оптического излучения рассеивается на его поверхностях и попадает в оптический приемник, что приводит к ухудшению пространственного разрешения экрана. Кроме того, в случае веерного нейтронного пучка, излучаемого при использовании в качестве источника нейтронов генератора нейтронов, пространственное разрешение уменьшается для лучей, падающих наклонно к оси экрана. Это ограничивает либо толщину, а значит, и эффективность экрана, либо его диаметр, т.е. размер чувствительной поверхности.

За прототип выбрано устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см., например, J. Rant, M. Balasko, E. Kristof, A. Simonits and J. Stade "Fast Neutron Radiography Using Photoluminescent Imaging Plates" (Abstracts of the VI-th International Conference on Neutron Radiography, 129, Osaka, Japan, May 17-21, 1999), содержащее экран из фотолюминесцентных пластин с энергонакапливающим запоминающим люминофором в комбинации с металлическими активационными фольгами, который позволяет регистрировать быстрые нейтроны в широком диапазоне энергий первичных нейтронов.

Однако использование металлических активационных фольг сопровождается низкой (более чем в 100 раз) эффективностью по сравнению с водородосодержащим иейтрографическим конвертором.

Изобретение направлено на увеличение эффективности экрана, уменьшение влияния рассеянного излучения и ограничений на толщину и диаметр экрана.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов, состоящем из приемника оптического излучения, системы фокусировки и коллимации оптических лучей, выполненной из оптических объективов и диафрагмы, и экрана-преобразователя, трансформирующего первичный нейтронный поток от источника нейтронов во вторичное оптическое излучение, экран-преобразователь выполнен в виде фигуры вращения с осью, проходящей через центр источника нейтронов, и внешней поверхностью специальной формы, сечение которой определяется уравнением dy/dr=a/b, где a=-r(n1/I1+n2/I2); b=n1(y-f1)/I1+n2(y+f2)/I2; I1=[(y-f1)2+r2)]0,5; I2=[(y+f2)2+r2)]0,5; у - координата точки на внешней поверхности экрана; r - расстояние от оси вращения; n1 - коэффициент преломления материала экрана; n2 - коэффициент преломления окружающей среды (для воздуха n21);
f1 - первое фокусное расстояние (источник - экран);
f2 - второе фокусное расстояние (экран - приемник),
при этом максимальное удаление точек внешней поверхности от оси вращения определяется условием
dy/dr,
а оптические объективы и диафрагма установлены на одной оси с экраном-преобразователем между источником нейтронов и приемником оптического излучения, при этом указанная фигура вращения может быть выполнена полой со стенками из любого прозрачного материала толщиной, определяемой его прочностью (около 1 мм), тогда как внутренняя полость фигуры заполнена водородосодержащей жидкостью, например трибутилфосфатом, в состав которого дополнительно введены ионы гадолиния и европия при общем содержании от 0,1% до 10% (объемных) и их взаимном соотношении от 100:1 до 20:1.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена конструкция экрана-преобразователя, на фиг.2 - функциональная схема устройства для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов, а на фиг.3 показан вариант выполнения устройства для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов.

Экран-преобразователь 1 (см. фиг.1) выполнен в виде фигуры вращения специальной формы с осью 2, проходящей через центр источника нейтронов 3. На фиг. 1 обозначены f1 - первое фокусное расстояние (источник - экран), f2 - второе фокусное расстояние (экран - приемник).

Устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см. фиг. 2 и 3) содержит экран-преобразователь 1, установленные на одной оси с экраном-преобразователем 1 источник нейтронов 3, диафрагма 4, приемник оптического излучения 5 и оптические объективы 6 и 7 (на фиг.3 отсутствуют), на фиг. 2 и 3 также обозначены направление нейтронного луча 8, направление светового луча 9, сцинтилляционная вспышка 10 и объект исследования 11.

В устройстве для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см.фиг.2) экран-преобразователь 1 расположен между источником нейтронов 3 и оптическим объективом 6, при этом на объект исследования 11 попадает прямой нейтронный луч 8 от источника нейтронов 3.

Работает устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов следующим образом.

Допустим, что в качестве материала экрана используется полиметилметакрилат, n1=1,5, а окружающая среда - воздух, n1=1. Возможны следующие варианты реализации устройства 1.

1) Приближение параллельного нейтронного пучка.

Действует для реакторного источника или генераторного в случае, когда экран-преобразователь 1 находится на достаточно большом расстоянии L от источника быстрых нейтронов 3 (L/D~100, где D - размер источника).

При этом f1_ , a f2-F 10-100 см.

Уравнение для внешней поверхности экрана приводится к виду
dy/dr=n2r/(n1l2-n2y);
l2=[(y+f2)2+r2]0,5.

Это уравнение параболы, и, следовательно, диаметр экрана-преобразователя 1 не ограничен.

В этом случае оптический объектив 6 отсутствует (см.фиг.3). Диафрагма 4 помещается в фокальную плоскость на расстоянии F от экрана-преобразователя 1 так, что центр отверстия диафрагмы 4 находится на оси 2 экрана-преобразователя 1. Размер отверстия диафрагмы ~1 мм.

Оптический объектив 7 располагается от диафрагмы на расстоянии f2, равном фокусному расстоянию объектива 7. Выходящий параллельный световой пучок освещает приемник оптического излучения 5, в котором происходит регистрация изображения.

2) Приближение веерного пучка.

Действует для генераторного источника при достаточно малом расстоянии между экраном-преобразователем 1 и источником быстрых нейтронов 3.

Возможны три случая:
А) f1-F1, f2_.
В этом случае уравнение поверхности имеет вид
dy/dr=n1r/(n1y-n2l1);
l1=[(y-f1)2+r2]0,5.

Для f1= 50 см максимальный диаметр экрана составляет 93 см. На выходе экрана-преобразователя 1 имеем параллельный световой пучок, который фокусируется с помощью оптического объектива 6 на отверстие диафрагмы 4. Прошедший через диафрагму 4 свет переносится на приемник оптического излучения 5 напрямую или с помощью еще одного оптического объектива 7.

Б) f1=F1, f2=F2 (конечные значения). Объектив 6 отсутствует.

В этом случае имеет место общая формула.

Для F1=F2=50 см максимальный диаметр экрана составляет 36 см.

Вышедший из экрана свет пропускается через диафрагму 4 н направляется на приемник оптического излучения 5 напрямую или через оптический объектив 7.

В) Экран-преобразователь 1 имеет сферическую форму.

Размер экрана определяется радиусом сферической поверхности и диаметром оптического объектива 6 и может составлять несколько десятков сантиметров. Объектив 6 находится на расстоянии, равном половине фокусного расстояния f1 от источника 3 и диафрагмы 4. Прошедший через диафрагму 4 свет переносится на приемник оптического излучения 5 напрямую или с помощью еще одного оптического объектива 7.

Во всех случаях назначение диафрагмы 4 уменьшить вклад в нейтронное изображение рассеянного в экране-преобразователе 1 оптического излучения
Таким образом, в предложенном устройстве для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов повышается эффективность экрана за счет уменьшения влияния рассеянного излучения и ограничений на толщину экрана.


Формула изобретения

1. Устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов, состоящее из приемника оптического излучения, системы фокусировки и коллимации оптических лучей, выполненной из оптических объективов и диафрагмы, и экрана-преобразователя, трансформирующего первичный нейтронный поток от источника нейтронов во вторичное оптическое излучение, отличающееся тем, что экран-преобразователь выполнен в виде фигуры вращения с осью, проходящей через центр источника нейтронов, и внешней поверхностью специальной формы, сечение которой определяется уравнением
dy/dr = a/b,
где a = - r(n1/l1 + n2/l2);
b = n1(y - f1)/l1 + n2(y + f2)/l2;
l1 = [(y - f1)2 + r2)]0,5;
l2 = [(y - f2)2 + r2)]0,5;
y - координата точки на внешней поверхности экрана;
r - расстояние от оси вращения;
n1 - коэффициент преломления материала экрана;
n2- коэффициент преломления окружающей среды (для воздуха n21);
f1 - пepвoe фокусное расстояние (источник-экран);
f2 - второе фокусное расстояние (экран-приемник),
при этом максимальное удаление точек внешней поверхности от оси вращения определяется условием
dy/dr ,
а оптические объективы и диафрагма установлены на одной оси с экраном-преобразователем между источником нейтронов и приемником оптического излучения.

2. Экран-преобразователь, отличающийся тем, что указанная фигура вращения выполнена полой со стенками из любого прозрачного материала толщиной, определяемой его прочностью (около 1 мм), тогда как внутренняя полость фигуры заполнена водородосодержащей жидкостью, например трибутилфосфатом, в состав которого дополнительно введены ионы гадолиния и европия при общем содержании от 0,1 до 10% (объемных) и их взаимном соотношении от 100:1 до 20:1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области определения характеристик объектов с помощью ионизирующих излучений, конкретнее к области нейтронной дефектоскопии , и может быть использовано , например, для.контроля дефектов в тонких объектах из легких материалов

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения терапевтических и диагностических пучков тепловых и промежуточных нейтронов различной геометрической конфигурации, спектрального состава и интенсивности, применяемых при нейтронной терапии злокачественных опухолей человека и животных на одном источнике нейтронов без его реконструкции

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно: контролю положения и/или размеров деталей известной формы по проекционному изображению объекта в потоке проникающего излучения

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к контролю положения и/или размеров деталей известной формы по проекционному изображению объекта в потоке проникающего излучения

Использование: для исследования внутренней структуры объекта посредством нейтронной радиографии. Сущность заключается в том, что устройство нейтронной радиографии содержит источник проникающего излучения, систему перемещения объекта относительно источника излучения, блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, систему получения изображения объекта по поглощенному излучению, при этом данное устройство также содержит линейные нейтронные детекторы, установленные параллельно друг другу с обеих сторон от просвечиваемого объекта и гамма спектрометр, схему временного анализа событий, зарегистрированных в элементах позиционно-чувствительного детектора альфа частиц и в элементах линейных однокоординатных детекторах быстрых нейтронов, причем линейные детекторы, расположенные перед просвечиваемым объектом со стороны источника, экранированы посредством соответствующих экранов, содержащих водородосодержащие вещества, от нейтронов источника, идущих напрямую, а источник проникающего излучения выполнен в виде генератора нейтронов с позиционно-чувствительным детектором альфа частиц. Технический результат: расширение области применения радиографического определения внутренней структуры и вещественного состава просвечиваемых объектов, а также повышение информативности, уменьшение влияния рассеянного излучения и упрощение конструкции измерительной установки. 2 ил.

Использование: для бесконтактного измерения влажности материала с помощью нейтронного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что контролируемый материал облучают быстрыми нейтронами с энергией 2,5 МэВ, измеряют поток быстрых нейтронов во время нейтронных импульсов, в промежутках между нейтронными импульсами регистрируют тепловые нейтроны, образующиеся в контролируемом материале, нормируют количество зарегистрированных тепловых нейтронов на поток быстрых нейтронов, определяют влажность контролируемого материала путем сравнения нормированного значения количества зарегистрированных тепловых нейтронов со значениями, полученными из калибровочных измерений с тестовыми образцами. Технический результат: повышение чувствительности способа измерения влажности материалов. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к устройству и способу обнаружения ядерного материала, возможно спрятанного в контейнере и т.п. Устройство обнаружения ядерного материала для обнаружения ядерного материала в объекте содержит: источник нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов, используемых для облучения объекта; блок детектирования, выполненный с возможностью детектирования нейтронов, включая первичные нейтроны, испускаемые из источника нейтронов, и вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала; и блок обработки, выполненный с возможностью выполнения анализа реакторного шума на основе данных, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, причем источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов в импульсном режиме, а блок обработки выполнен с возможностью выполнения анализа реакторного шума на основе данных, полученных путем исключения из данных временного ряда, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, данных временного интервала, включающего временной промежуток генерации, в течение которого источник нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме. Технический результат - повышение эффективности обнаружения ядерного материала. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил.

Использование: для исследования протяженных радиоактивных изделий, в основном тепловыделяющих элементов, методом нейтронной радиографии. Сущность изобретения заключается в том, что помещают исследуемый объект в защитный контейнер, контейнер размещают на станине в посадочное место и жестко фиксируют в нем, устанавливают в паз лимба первый детектор, устанавливают угол (+α) между направлением излучения и детектором, подают поток нейтронов, устанавливают в паз второй детектор, устанавливают угол (-α) между направлением излучения и детектором, облучают, обрабатывают засвеченные пленки для получения изображений под углом ±α. Установка для реализации способа контроля изделий включает источник нейтронов, защитный контейнер, детектирующую систему, дополнительно содержит станину, на которой размещена детектирующая система, выполненная в виде поворотного лимба с посадочным местом для фиксации нейтронных детекторов в виде диаметрального паза, установленного с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси контролируемого изделия на заданный угол, и полукольцевым вырезом в лимбе для прохода протяженного изделия при повороте лимба на угол ±αi относительно направления пучка нейтронов. Технический результат: обеспечение возможности повышения информативности, точности и четкости получения результатов при исследовании изделий. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Группа изобретений относится к области исследования материалов с помощью протонной радиографии при ударно-волновом нагружении. Способ исследования характеристик заряда взрывчатого вещества (ВВ) включает ударно-волновое нагружение элемента при подрыве исследуемого заряда ВВ, при этом, с помощью протонного излучения, сформированного в виде отдельных банчей, и, используя многокадровую регистрирующую систему, производят съемку процесса сжатия нагружаемого элемента под воздействием продуктов взрыва, формируют теневые протонные изображения, полученные кадры обрабатывают, причем регистрируют форму нагружаемого элемента, фронт детонационной волны и фронт отраженных от нагружаемого элемента ударных волн, распространяющихся в продуктах взрыва. Также представлены устройство для осуществления этого способа и способ обработки результатов исследования характеристик заряда ВВ, полученных путем регистрации перемещения нагружаемого элемента при подрыве исследуемого заряда. Достигается повышение точности и информативности. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 31 ил.
Наверх