Генератор меченых нейтронов

 

Изобретение относится к области устройств для создания пучков меченых нейтронов, а именно, отпаянных нейтронных генераторов и может быть использовано в системах оперативного неразрушающего дистанционного анализа сложных химических веществ и в ядерно-физических установках, где требуется регистрация высокоинтенсивных потоков заряженных частиц. Генератор меченых нейтронов представляет собой герметичный корпус, в котором установлены источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень и сцинтилляторы α-детектора. При этом корпус имеет окна для осуществления оптической связи сцинтилляторов с фотоумножителями α-детектора, расположенными с внешней стороны корпуса генератора. Сущность изобретения заключается в том, что α-детектор выполнен многоканальным, сцинтилляторы расположены в виде матрицы, при этом в качестве сцинтиллятора используется кристалл алюмината иттрия, активированного церием, (YA1О₃(Се)-YAP(Ce)), кроме того, сцинтиллятор снабжен поглотителем дейтронов, рассеянных в мишени. Технический результат: обеспечение длительно сохраняемого статического вакуума в генераторе меченых нейтронов; увеличение ресурса его работы; получение точной временной отметки эмиссии нейтрона. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области генераторов, создающих пучки меченых нейтронов. Оно может быть применено для неразрушающего дистанционного анализа сложных химических веществ, выполняемого в реальном времени, т.е. непосредственно в процессе контроля и измерений. Оно также найдет применение в ядерно-физических установках, где требуется регистрация заряженных продуктов ядерных реакций с высоким энергетическим и временным разрешением и в условиях интенсивного фона нейтронов и γ-квантов и статического вакуума.

Известно устройство Л. 1, предназначенное для каротажа скважин в геологоразведке. Главной его частью является генератор нейтронов, в котором нейтроны получаются в реакции взаимодействия ускоренного пуча дейтронов с тритиевой мишенью. В герметическом корпусе генератора расположены: источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, сцинтилляторы α-детектора, защищенные алюминиевой пленкой и детектор γ-квантов. Фотоумножители α-детектора находятся с внешней стороны корпуса генератора.

Регистрация α-частицы и момента ее попадания в детектор позволяет “метить” каждый нейтрон, сопутствующий каждой α-частице, т.е. определять его траекторию и точку взаимодействия в окружающей среде - в геологической породе. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами вещества породы образуются γ-кванты, спектр которых несет информацию о химическом состава породы. В данном случае определяется отношение концентраций углерода и кислорода, что и составляет цель каротажа.

Альфа-детектор устройства Л.1 состоит из нескольких сцинтилляционных счетчиков. Сцинтиллятором служит неорганический люминофор ZnS. Он наносится на прозрачную подложку. На поверхность люминофора наносится тонкий слой алюминия для предотвращения попадания в люминофор дейтронов, рассеянных в мишени. Устройство Л. 1 имеет необходимые и достаточные компоненты для формирования пучка меченых нейтронов. Следует, однако, отметить его существенные недостатки. Сцинтиллятор ZnS имеет большое время высвечивания - ~ 200 нс. Его можно отнести к классу медленных сцинтилляторов, мало пригодных для прецизионных временных измерений. Коммерчески доступный сцинтиллятор ZnS обычно нанесен на органическую подложку, с которой он имеет надежное соединение. Известно, что в нейтронных генераторах применение органических веществ недопустимо, так как они не позволяют получить статический вакуум, который сохраняется в корпусе генератора длительное время без применения внешних насосов. Поэтому авторы Л.1 упоминают технологию нанесения ZnS на неорганическую прозрачную подложку, а также технологию перенесения слоя алюминия с органического носителя на поверхность сцинтиллятора ZnS. Ясно, что это достаточно сложный процесс, включающий ряд ноу-хау, которые в Л.1 не раскрываются. Невозможность полностью освободиться от органических примесей в корпусе генератора, вероятно, ограничивает ресурс его работы, который авторами тоже не указывается.

Известно также устройство Л.2, разработанное для обнаружения скрытых веществ в практике таможенной службы. В состав устройства входит источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им α-частиц. В детекторе α-частиц используется активированный полистирол в качестве сцинтиллятора. Сцинтилляторы расположены в форме матрицы 2х2. Имеется детектор γ-излучения и система регистрации (αγ) совпадений. Сообщается о возможности идентификации элементного состава, формы и положения скрыто перевозимого вещества. Существенный недостаток устройства Л. 2 состоит в использовании органического сцинтиллятора для регистрации α-частиц. Это исключает применение компактного нейтронного генератора отпаянного типа со статическим вакуумом в корпусе по двум причинам. Первая - органический сцинтиллятор не совместим с требованиями сверхвысокого вакуума нейтронного генератора. Второе - органический сцинтиллятор расплавится при необходимом условии разогрева генератора до 400 градусов. Таким образом, устройство Л.2 может быть применено только в стационарной лабораторной установке, позволяющей демонстрацию принципа идентификации веществ с помощью пучка меченых нейтронов, но не пригодной для практического применения в полевых условиях.

Генератор меченых нейтронов, описанный в Л.3, мы принимаем за прототип нашего изобретения. Авторы Л.3 в лабораторных условиях выполнили испытание и исследовали параметры установки, созданной на базе этого генератора. По мнению авторов Л.3 их устройство может служить моделью для создания мобильной установки для поиска и идентификации взрывчатых, отравляющих и наркотических веществ. Устройство Л.3 базируется на отпаянном нейтронном генераторе. В герметическом корпусе генератора расположены: источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов и ZnS сцинтиллятор α-детектора, нанесенный на прозрачное окно в корпусе генератора. Единственный фотоумножитель α-детектора находится с внешней стороны корпуса генератора. В качестве γ-детектора используется сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaI(Tl). Он расположен в непосредственной близости от исследуемого объекта. Данное устройство работает на том же принципе, что и прибор Л.1 и имеет тот же главный недостаток, а именно большое время высвечивания люминофора ZnS и, следовательно, ограниченную точность получения временной отметки вылета нейтрона. Авторы Л.3 не раскрывают технологию нанесения ZnS на прозрачный носитель. Не обсуждается и способ защиты сцинтиллятора от рассеянных в мишени дейтронов. Устройство имеет ресурс работы 200 ч при интенсивности потока нейтронов с мишени 3×10⁷ с^-1. Это время представляется недостаточным для широкого практического применения описанного устройства. Возможно, малый ресурс связан с неудачным выбором типа сцинтиллятора и несовершенной технологией его нанесения на неорганическую подложку. Значительным недостатком является также то, что α-детектор Л.3 имеет только один канал регистрации, что достаточно для демонстрационных целей, но недостаточно для создания устройства, предназначенного для практической работы в полевых условиях.

Таким образом, известные нам аналоги и прототип нуждаются в усовершенствовании.

Цель изобретения состоит в устранении отмеченных недостатков, а именно, увеличение ресурса работы нейтронного генератора путем сохранения статического вакуума в его герметическом корпусе и увеличение пространственно-временного разрешения устройства, использующего пучок меченых нейтронов.

Поставленная цель достигается тем, что названный выше генератор имеет герметический корпус, в котором установлены источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень и сцинтилляторы многоканального α-детектора. Корпус имеет окна для осуществления оптической связи сцинтилляторов с фотоумножителями α-детектора. Фотоумножители расположены с внешней стороны корпуса генератора. Кристалла YAP(Ce) применен в качестве сцинтиллятора α-детектора. Указанный кристалл имеет следующие важные качества:

высокое энергетическое разрешение;

низкую чувствительность к фону нейтронов и γ-квантов;

высокую радиационную стойкость;

малое время высвечивания;

допускают термическую обработку в корпусе генератора в процессе получения вакуума.

Совокупность указанных выше признаков данного устройства обеспечивает:

получение и сохранение длительное время статического вакуума в корпусе генератора, что является важным фактором увеличения ресурса работы генератора;

регистрацию α-частиц с эффективностью, близкой к 100%, и получение точной пространственно-временной отметки эмиссии нейтрона.

Предлагаемое устройство представлено на фиг.1, где

1) герметический корпус генератора нейтронов;

2) источник ионов дейтерия и трития;

3) источник газообразного дейтерия и трития;

4) система ускоряющих и фокусирующих электродов;

5) мишень из тритида титана TiT₂;

6) сцинтилляторы α-детектора;

7) прозрачное окно в корпусе генератора;

8) поглотитель рассеянных в мишени дейтронов;

9) фотоумножители α-детектора.

Сцинтилляторы (6) размещены на расстоянии r=7,5 см от мишени на условной сфере в форме матрицы 2×2. Диаметр каждого сцинтиллятора d=10 мм. На фиг.2 показан вид матрицы сцинтилляторов. Фиг.3 иллюстрирует способ определения основных геометрических параметров установки. Диаметр d кристаллов α-детектора выбран, исходя из условия

d=(L/r)×D,

где L - расстояние от тритиевой мишени (5) до исследуемого объекта;

r - расстояние от тритиевой мишени (5) до сцинтилляторов (6) α-детектора;

D - диаметр элемента (10) в объеме объекта, облучаемого одним пучком меченых нейтронов.

Значения параметров L и D вытекают из особенности решаемой задачи - дистанционного элементного анализа вещества. Значение L определяется размерами исследуемого объекта и радиационной защиты γ-детектора. Типичная величина составляет L≈60-100 см. Типичное значение D составляет 10-20 см. Оно определяется минимальным объемом вещества, которое можно идентифицировать за разумное время (задаваемое пользователем прибора) около 5-10 мин. Грануляция α-детектора, т.е. количество элементов в сцинтилляционной матрице, определяется количеством независимых элементов в объекте, которое требуется анализировать одновременно.

Поглотитель рассеянных в мишени дейтронов представляет собой алюминиевую фольгу толщиной ~ 5 мкм.

Оптическая связь кристаллов YAP(Ce) с ФЭУ осуществляется с помощью окон (7) в корпусе генератора, выполненных из оптического стекла марки С-52, допускающего вакуумную сварку с металлом и прозрачного в спектральном интервале излучения сцинтиллятора, и где фотоумножитель имеет высокую чувствительность.

Кристаллы YAP(Ce) изготавливаются фирмой CRYTUR Ltd, Turnov, Czech Republic, Л.4 и Институтом ядерной физики Белорусского государственного университета Л.5.

Кроме геометрических параметров, описанных выше, важными характеристиками α-детектора являются его энергетическое разрешение и время высвечивания сцинтиллятора. Энергетическое разрешение сцинтиллятора YAP(Ce) составляет ΔЕ/Е~6% при энергии α-частиц 3-5 МэВ. Для сравнения укажем энергетическое разрешение сцинтиллятора ZnS, применяемого в аналогах, - ΔЕ/Е~60%. Чем меньше величина ΔЕ/Е, тем выше эффективность регистрации α-частиц, так как полезный сигнал надежнее выделяется из шума электроники и фона нейтронов и γ-квантов. Альфа-детектор с кристаллом YAP(Ce) в нашем случае имеет эффективность, близкую к 100%. Время высвечивания кристалла YAP(Ce) составляет τ≈30 нc. Для сравнения укажем эту величину для ZnS-τ≈200 нc. Чем меньше τ, тем точнее определяется момент вылета нейтрона из мишени и тем точнее восстанавливается координата его взаимодействия в объекте.

Устройство работает следующим образом. Источник газа (3), представляющий собой геттер, насыщенный дейтерием и тритием, нагревается электрическим током и выделяет определенное количество газа. В корпусе генератора (1) создается определенное давление, необходимое для работы ионного источника (2). На ионный источник (2) подается высокое напряжение ~ 100 кэВ от внешнего источника питания. Между источником ионов (2) и электродами (4) создается разность потенциалов. Положительно заряженные ионы дейтерия вытягиваются из плазмы ионного источника электрическим полем, ускоряются и фокусируются электродами (4). Ускоренный пучок дейтронов (указанный на фиг.1 как (d)) облучает тритиевую мишень (5). В реакции взаимодействия ускоренных дейтронов с тритиевой мишенью образуются монохроматические α-частицы 3,5 МэВ и нейтроны 14,1 МэВ (указанные на фиг.1 как α и n). В каждом событии взаимодействия дейтрона с тритоном α-частица и нейтрон излучаются в противоположные стороны. Поглотитель (8), выполненный из алюминиевой фольги, покрывает сцинтилляторы (6) и предотвращает попадание в них рассеянных в мишени дейтронов.

Толщина фольги составляет ~ 5 мкм. Она подобрана так, чтобы поглотить дейтроны с энергией 100 кэВ, но пропустить с минимальным поглощением α-частицы с энергией 3,5 МэВ. Сцинтиллятор трансформирует энергию α-частицы в свет. Свет проходит через окно (7) в корпусе генератора и регистрируется одним из фотоумножителей (9). Окно (7) сделано из оптического стекла марки С-52 прозрачного в области спектра излучения сцинтиллятора. Каждый сцинтиллятор оптически связан со своим фотоумножителем, поэтому данный α-детектор является позиционно чувствительным прибором. Регистрация α-частицы одним из сцинтилляторов полностью определяет направление и момент эмиссии каждого нейтрона из мишени. Такой нейтрон, сопутствующий зарегистрированной α-частице, условно называется меченым.

При использовании нейтронного генератора в установках для дистанционного неразрушающего анализа веществ меченый нейтрон взаимодействует с веществом изучаемого объекта и порождает γ-кванты. Гамма излучение объекта несет информацию об элементном составе вещества объекта. Измерение временной задержки α-γ совпадений позволяет определить координату взаимодействия нейтрона, т.е. восстановить трехмерное изображение объекта. Отбор событий в малом временном окне, задаваемом сигналом α-γ совпадений, позволяет также подавить фон от естественной и наведенной радиоактивности и от нейтронного генератора. Это еще раз подчеркивает важность прецизионного измерения к детектором моментов времени возникновения сигналов.

Достигаемая техническая цель: нейтронный генератор, благодаря сохранению в его корпусе вакуума, имеет ресурс работы более 300 ч при интенсивности нейтронного потока с мишени 3×10⁷ с^-1, что превосходит ресурс аналогов, описанных в литературе. За счет применения сцинтилляторов с коротким временем высвечивания, расположенных в форме двухмерной матрицы, увеличивается точность локализации траектории меченого нейтрона. Минимальный пространственный элемент, выделяемый пучком меченых нейтронов в исследуемом объекте, составляет ~ ⊘10×15 см. Соответствующая величина в аналогах либо неопределена (как в Л.1), либо не сообщается (как в Л.3). И, наконец, компактный генератор отпаянного типа позволяет создавать на его основе мобильную установку для элементного анализа вещества, в отличии от аналога Л.3, где в качестве нейтронного генератора используется стационарный ускоритель.

Литература.

1. Zhenpeng Chen et al., Patent USA US 6297507 В1.

2. Быстрицкий В.М. и др. Заявка № 2001131077.28. Пол. реш. от 18.07.02.

3. E.Rhodes et al., IEEE Trans. on Nucl. Science, vol. 39, nom. 4 (1992).

4. www.crytur.cz

5. www.bsu.by

Формула изобретения

1. Генератор меченых нейтронов, содержащий герметический корпус, в котором установлены источник ионов, источник газообразного дейтерия и трития, система ускоряющих и фокусирующих электродов, тритиевая мишень и сцинтилляторы α-детектора, при этом корпус имеет окна для осуществления оптической связи сцинтилляторов с фотоумножителями α-детектора, расположенными с внешней стороны корпуса генератора, отличающийся тем, что α-детектор выполнен многоканальным, сцинтилляторы расположены в виде матрицы, при этом в качестве сцинтиллятора используется кристалл алюмината иттрия, активированного церием, (YA1О₃(Се)-YAP(Ce)), кроме того, сцинтиллятор снабжен поглотителем дейтронов, рассеянных в мишени.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что диаметр d кристаллов α-детектора выбран, исходя из условия

d=(L/r) x D,

где L - расстояние от тритиевой мишени до исследуемого объекта;

r - расстояние от тритиевой мишени до сцинтилляторов α-детектора;

D - диаметр части исследуемого объекта, находящейся в зоне одного пучка меченых нейтронов.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что каждый сцинтиллятор матрицы оптически связан с соответствующим фотоумножителем через окно в корпусе генератора.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что окна в корпусе генератора выполнены из оптического стекла, прозрачного в спектральном интервале излучения сцинтиллятора, и где фотоумножитель имеет высокую чувствительность, при этом стекло имеет герметическое соединение окна с корпусом генератора.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что сцинтилляторы α-детектора расположены на условной сфере.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3