Избирательный детектор для регистрации импульсного нейтронного излучения в смешанных гамма-нейтронных полях

 

Изобретение относится к регистрации импульсного нейтронного излучения в смешанных гамма-нейтронных полях и может найти применение в импульсных ядерных реакторах. Цель изобретения - повышение чувствительности и избирательности. Детектор содержит чувствительный элемент, регистрирующий нейтронное излучение, и конвертер нейтронного излучения, причем чувствительный элемент расположен внутри конвертера. Конвертер выполнен толщиной d>5l,где 1 - длина свободного пробега гамма-излучения, из материала с атомным номером Z≥50, с коэффициентом ослабления гамма-излучения μ>0,6см^-1, с сечением взаимодействия нейтронов с гамма-излучением s_n≥1,5·10^-2см^-1. В корвертере происходит реакция радиационного захвата. В результате чувствительный элемент регистрирует прямое нейтронное излучение, и возникшее в конвертере гамма-излучение. К тому же конвертер является защитой чувствительного элемента от сопутствующего нейтронному гамма-излучения, В качестве чувствительного элемента можно использовать полупроводник, а в качестве материала конвертера - вольфрам. Изобретение позволяет достигнуть повышение чувствительности в 1,7 раза и избирательности в 4 раза. 1 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной физики, а точнее к регистрации импульсного нейтронного излучения в смешанных гамма-нейтронных полях, и может найти применение при исследовании излучений импульсных ядерных реакторов. Целью изобретения является повышение чувствительности и избирательности детектора. Сущность изобретения заключается в том, что благодаря выбору материала конвертера, сочетающего в себе свойства эффективного ослабления гамма-излучения и эффективного преобразования нейтронного излучения в гамма-излучение, и взаимному расположению чувствительного элемента и конвертера, и с учетом того что длина пробега нейтронов приблизительно в 10 раз больше пробега гамма-квантов, достигаются максимальное ослабление внешнего гамма-излучения, и эффективная регистрация нейтронного, что обеспечивает повышение чувствительности при высокой избирательности детектора к нейтронному излучению. На чертеже изображены конструкция детектора и схема для регистрации излучения. Корвертер 1 окружает полупроводниковый, например кремниевый, чувствительный элемент 2 со всех сторон. Чувствительный элемент 2 выполнен в виде диска с контактами на торцовых поверхностях. Один торец чувствительного элемента 2 прилегает вплотную к конвертеру 1 и находится под нулевым потенциалом. Изолятор 3 защищает торец чувствительного элемента 2, находящийся под напряжением, от замыкания на конвертер 1. Напряжение питания подается, а сигнал снимается по кабелю 4. Напряжение питания подается через балластное сопротивление R_δ5 от источника питания 6. Импульс тока детектора проходит через разделительный конденсатор 7 и выделяется в виде напряжения на сопротивлении нагрузки RH 8 которое регистрируется с помощью регистратора 9. Для подвода кабеля 4 к чувствительному элементу 2 в конвертере 1 выполнена щель 10. Конвертер 1 может служить одновременно и корпусом детектора. В качестве регистратора 9 может быть использован, например, осциллограф. Наиболее целесообразно в качестве материалов конвертера иcпользовать свинец и вольфрам. Регистрация нейтронного излучения в детекторе происходит следующим образом. Детектор помещается в поле смешанного гамма-нейтронного излучения. Излучение проходит через конвертер 1. Толщина конвертера выбирается не менее пяти длин свободного пробега d>51, что позволяет ослаблять гамма-излучение в десятки раз. При этом нейтронное излучение из-за большей длины свободного пробега в материале конвертера (L>1 приблизительно в 10 раз) ослабляется незначительно. Падающее гамма-излучение, проходя через конвертер 1, ослабляется и практически не доходит до чувствительного элемента 2. Часть нейтронного излучения проходит через конвертер 1 и попадает на чувствительный элемент 2. Часть нейтронного излучения взаимодействует по реакциям (n,х g) с материалом конвертера. Причем поскольку конвертер 1 окружает чувствительный элемент 2 со всех сторон, то нейтроны, прошедшие чувствительный элемент 2 без взаимодействия, могут быть тем не менее зарегистрированы за счет гамма-излучения, образовавшегося в конвертере 1 по реакциям (n,x g). Таким образом, нейтроны создают в чувствительном элементе 2 носители заряда за счет прямого взаимодействия с материалом чувствительного элемента 2 и за счет гамма-излучения образовавшегося по реакциям (n, хg) в материале конвертера 1. Под действием приложенного напряжения питания носители заряда, собираются, а импульс тока регистрируется. Ниже следует обоснование признаков формулы изобретения, которые обеспечивают достижение цели изобретения: получение детекторов с высокой чувствительностью приблизительно и избирательностью К≥10. Кроме того, габариты детектора должны быть не более 10 см. Известно, что наилучшей защитой от гамма-излучения являются материалы с большим атомным номером (z≥50) и высокой плотностью, такие как висмут, свинец, вольфрам и др. В то же время наилучшими конвертерами нейтронного излучения в гамма по реакциям (n, хγ) являются материалы с большим числом низколежащих уровней возбуждения ядер, такие как свинец, вольфрам и др. Таким образом, для конвертера предложенного детектора целесообразным является использование материалов, сочетающих в себе свойства максимального ослабления гамма-излучения μ ≥ 0,6см^-1 и эффективного преобразования нейтронного излучения в гамма-излучение σ_n≥ 1,5·10^-2см^-1. Указанными свойствами обладают свинец, вольфрам, тантал, платина и некоторые другие. Причем использование вольфрама в качестве конвертера предпочтительнее, так как позволяет уменьшить габариты детектора благодаря большему ослаблению падающего гамма-излучения и большему числу реакций с образованием гамма квантов. Использование материалов для конвертера с меньшими значениями z, μ, s_n приводит к существенному увеличению габаритов детектора или вообще не обеспечивает достижения цели изобретения. Конвертер толщиной не менее пяти длин свободного пробега обеспечивает ослабление гамма-излучения не менее чем в 100 раз. Тогда даже при отношении чувствительностей полупроводникового элемента к нейтронному и гаммаизлучению S^o_n/S^o_γ = 0,1 избирательность детектора будет не менее 10. Количественная оценка параметров предложенного детектора. Чувствительность детектора к нейтронному излучению-может быть-разбита на две составляющих где S^o_n чувствительность к нейтронному излучению полупроводникового элемента детектора с учетом ослабления нейтронного излучения конвертером; чувствительность к нейтронному излучению за счет конвертирования нейтронов в гамма-излучение где S^K_γ чувствительность полупроводникового элемента к гамма-излучению конвертера, n число ядер конвертера, 1 см³; σ-сечение реакций (n, хg) ведущих к образованию гамма-излучения в конвертере, см² μ(E^к_γ) коэффициент ослабления гамма-излучения конвертера, см^-1; L длина релаксации нейтронов в материале конвертера, см; d толщина конвертера, см; E^к_γ средняя энергия гамма-излучения конвертера; Е_n средняя энергия нетронов. спектра деления. Избирательность детектора оценивается по формуле
где S^o_γ- чувствительность к падающему гамма-излучению полупроводникового элемента; К_осл-коэффициент ослабления падающего гамма-излучения материалом конвентера. Проведем оценку чувствительности и избирательности конкретного детектора с кремниевым чувствительным элементом для нейтронов спектра деления. Размеры кремниевого элемента ⊘7 × 0,8мм. Материал конвертерасвинец. Число ядер свинца в 1 см³ n= 3,29·10²³. Среднее по спектру деления сечение образования гаммаизлучения по реакциям (n, xγ) для свинца σ = 1,4·10^-24см².. Средняя энергия образовавшегося E^к_γ 1,25 МэВ. Длина релаксации нейтронов спектра деления в свинце L ≃ 9,7см,, толщина конвертера d 7 см. Средняя энергия гамма-излучения спектра деления E_γ=1 МэВ, а средняя энергия нейтронов Е_n 2 МэВ. Чувствительность кремниевого элемента к гаммаизлучению с E^к_γ=1,25 МэВ S^к_γ= 1,1·10^-16 c E_γ 1 МэВ. a к нейтронному с учетом ослабления излучения в конвертере в 2 раза . Коэффициент ослабления μ(E^к_γ)= 0,658 см^-1. Ослабление падающего гамма-излучения, конвертером К_осл 100. Тогда чувствительность детектора к нейтронному излучению равна S_n 1,1·10^-17, а избирательность K=12. Для сравнения приведем значения чувствительности и избирательности для детектора с кремниевым чувствительным элементом, и конвертером из полиэтилена диаметром 7 мм. Толщина конвертера взята равной пробегу протонов со средней энергией 1 МэВ. Сечение рассеяния нейтронов на водороде для Е_e 2 МэВ σ_p= 2,7·10^-24см².. Чувствительность к нейтронному, излучению за счет протонов отдачи конвертора S_p 7,9·10^-18, а избирательность даже для полупроводникового, элемента толщиной 20 мкм (пробег протонов в кремнии) К 3. Таким образом, в предложенном детекторе достигнуто повышение чувствительности приблизительно в 1,7 раза и избирательности приблизительно в 4 pаза. Следующим преимуществом предложенного решения является независимость чувствительности от направления падения излучения и повышение радиационной стойкости.

Формула изобретения

1. Избирательный детектор для регистрации импульсного нейтронного излучения в смешанных гамма-нейтронных полях, содержащий чувствительный элемент и конвертер нейтронного излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и избирательности детектора, в нем чувствительный элемент расположен внутри имеющего щель конвертера, выполненного толщиной d≥5l, где l длина свободного пробега гамма-излучения, из материала с атомным номером z≥50, с коэффициентом ослабления гамма-излучения μ ≥ 0,6 см^-1 с сечением взаимодействия нейтронов с образованием гамма-излучения σ_n≥ 1,5·10^-2 см^-1. 2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента использован полупроводниковый детектор. 3. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала конвертера выбран вольфрам.

РИСУНКИ

Рисунок 1