Регистратор ионизирующих излучений

Предложенное изобретение относится к области анализа радиоактивных материалов и источников ионизирующего излучения с использованием радиационных методов контроля. Техническим результатом от реализации данного изобретения является расширение диапазона регистрации проникающих излучений, определение местоположения источника излучения и его идентификация, определение, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них. Предложенный регистратор ионизирующего излучения содержит блок из полимерных сцинтиллирующих оптических волокон и позиционно-чувствительный фотоприемник, причем блок из полимерных сцинтиллирующих оптических волокон выполнен в виде волоконно-оптического экранного преобразователя из жгута протяженных сцинтиллирующих волокон, на одной из торцевых поверхностей жгута расположена маска для регистрации тепловых нейтронов, блок снабжен системой азимутальных перемещений, маска для регистрации тепловых нейтронов выполнена из оптически прозрачного материала, на поверхность которой нанесен слой люминофора в шахматном порядке. 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, конкретно к исследованию или анализу предметов радиационными методами для обнаружения радиоактивных материалов и источников.

Известен твердотельный детектор, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из этих волокон.

Патент США №4942302, МПК: G01Т 1/02, опублик. 1991 г.

Устройству характерны большие оптические потери при передаче излучения на большие расстояния. Реализация устройства сложна из-за соединения волокон с помощью переходного жгута.

Известен волоконно-оптический преобразователь для обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов, выполненный в виде волоконного блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, работа которого основана на рождении протонов отдачи в материале волокна, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником.

Патент Российской Федерации №2119178, МПК: G01Т 3/06, Бюл. №26, 1998 г. Прототип.

Недостатки прототипа заключаются в том, что указанный волоконно-оптический преобразователь позволяет регистрировать только быстрые нейтроны и не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона регистрации проникающих излучений, определение местоположения источника излучения и его идентификация, определение, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них.

Технический результат достигается тем, что в регистраторе ионизирующего излучения, содержащем блок из полимерных сцинтиллирующих оптических волокон и позиционно-чувствительный фотоприемник, блок из полимерных сцинтиллирующих оптических волокон выполнен в виде волоконно-оптического экранного преобразователя из жгута протяженных сцинтиллирующих волокон, на одной из торцевых поверхностей жгута расположена маска для регистрации тепловых нейтронов, блок снабжен системой азимутальных перемещений, маска для регистрации тепловых нейтронов выполнена из оптически прозрачного материала, на поверхность которой слой люминофора нанесен в шахматном порядке.

Волокна жгута покрыты светоотражающей оболочкой. Покрытие позволяет усилить световой поток, попадающий на фотоприемник.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-6.

На фиг.1 схематично представлен регистратор ионизирующих излучений в виде блока волоконно-оптического экрана-преобразователя (ВОЭП), где

1 - позиционно-чувствительный фотоприемник,

2 - жгут из полистирольного сцинтиллирующего водородосодержащего волокна, выполненный в виде цилиндра (это может быть и усеченный конус или усеченная пирамида),

3 - маска для регистрации тепловых нейтронов в виде слоя люминофора, расположенного в шахматном порядке на одной из торцевых поверхностей обоймы 2,

4 - пучок ионизирующего излучения, например быстрых нейтронов, ϕ - угол между пучком и нормалью к оси ВОЭП. Система азимутальных перемещений, выполненная, например, на основе шарового шарнира (на фигурах не показана).

На фиг.2 представлены пространственные распределения фотонов от 14 МэВ быстрых нейтронов при различных значениях угла падения ϕ, а именно зависимости сигнала от расстояния до оси ВОЭП.

На фиг.3 представлено пространственное распределение фотонов на выходе ВОЭП, обусловленных быстрыми нейтронами, при падении пучка пфвичных нейтронов перпендикулярно оси волокон (ϕ=0, пучок нейтронов падает справа) для различных нейтронных источников.

На фиг.4 представлено пространственное распределение фотонов на поверхности ВОЭП, обусловленных тепловыми нейтронами, при падении пучка первичных нейтронов перпендикулярно оси волокон (ϕ=0, пучок нейтронов падает справа) для различных источников быстрых нейтронов.

На фиг.5 представлено пространственное распределение отношения фотонов от тепловых и быстрых нейтронов для различных нейтронных источников при различных углах ϕ (пучок нейтронов падает справа).

На фиг.6 схематично в два этапа представлено определение направления на источник нейтронов.

Волоконно-оптический экран преобразователь предназначен для обнаружения проникающего излучения.

Работа устройства заключается в получении двухмерных изображений пространственных распределений быстрых и тепловых нейтронов с помощью ВОЭП, волоконный жгут 2 которого с маской 3 и позиционно-чувствительным фотоприемником 1 служит одновременно замедлителем быстрых нейтронов, детектором как быстрых, так и тепловых нейтронов. Для этого жгут 2 выполнен из сцинтиллирующих под действием быстрых нейтронов волокон. На торец жгута 2 нанесен люминесцентный слой в виде маски 3 для регистрации тепловых нейтронов, возникающих в результате замедления быстрых нейтронов или излучаемых внешним источником 4.

Быстрые нейтроны (пучок ионизирующего излучения 4) замедляются в жгуте 2 из полистирольных сцинтиллирующих волокон и при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода теряют свою энергию, рождают протоны отдачи, которые и вызывают сцинтилляции. Свет от сцинтилляционных вспышек распространяется по волокнам жгута 2 к его торцам. Для увеличения количества собираемого света (фотонов) волокна покрыты светоотражающей оболочкой.

Маска 3 для регистрации тепловых нейтронов нанесена в виде слоя люминофора (светосостава) Li⁶F+ZnS в шахматном порядке на одну из торцевых поверхностей жгута 2. Этот слой может быть выполнен и в виде прозрачной пластины, накладываемой на торец жгута 2 и содержащей люминофор, расположенный в шахматном порядке.

Тепловые нейтроны, образовавшиеся в жгуте 2 в результате замедления, вытекают наружу через его поверхность. Для их регистрации на торцы волокон, суммарной площадью от нескольких сотен квадратных сантиметров, нанесен, например, в шахматном порядке люминофор, излучающий свет при захвате теплового нейтрона. Этот свет захватывается соответствующими волокнами и переносится на позиционно-чувствительный фотоприемник 1. Поскольку волокна с нанесенным на них люминофором также регистрируют и быстрые нейтроны, сигнал только от тепловых нейтронов определяется разницей сигналов в смежных областях маски 3, предназначенных для регистрации быстрых и тепловых нейтронов. Для увеличения сигнала от быстрых нейтронов участки поверхности маски 3, не покрытые люминофором, покрыты светоотражающим материалом.

Обнаружение источника тепловых или быстрых нейтронов происходит при превышении величины сигнала, регистрируемого позиционно-чувствительным фотоприемником 1, уровня фонового сигнала c учетом его стандартного отклонения (сигнал плюс два или три стандартных отклонения).

Направление на источник определяется по направлению быстрейшего роста двумерного сигнала быстрых нейтронов и находится как вектор между областями ВОЭП, используемыми для регистрации быстрых нейтронов, симметричными относительно оси ВОЭП, для которого значение функции F(θ)=ln(S₁/S₂)/r_1-2 максимально, где S₁ и S₂ - усредненные сигналы от быстрых нейтронов в ячейках, распложенных симметрично относительно центра изображения; r_1-2 - расстояние между центрами выбранных ячеек.

Схематичное определение направления на источник нейтронов показано на фиг.6.

Направление быстрейшего роста сигналов, регистрируемых с помощью позиционно-чувствительного фотоприемника 1 на выходе ВОЭП, является проекцией направления на источник на основание ВОЭП. Ориентация этого вектора позволяет определить угол ϕ между плоскостью, в которой лежит источник быстрых нейтронов, и осью Х (этап 1). Для определения направления на источник необходимо повернуть ВОЭП так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна найденной ранее плоскости (этап 2).

Определенное из второго измерения направление быстрейшего роста сигналов дает возможность определить азимутальный угол θ и тем самым определить направление на источник быстрых нейтронов.

Из графиков на фиг.2 видно, что при нормальном падении 14 МэВ нейтронов количество фотонов уменьшается от одного края ВОЭП к другому приблизительно в 2,2 раза.

При меньших энергиях нейтронов эта зависимость более резкая. Количество фотонов уменьшается от одного края ВОЭП к другому приблизительно в 5,4 раз для нейтронов с энергией 3 МэВ и в 7,9 раз для спектра деления.

Для идентификации источника используются заранее измеренные для различных источников быстрых нейтронов двумерные распределения сигналов тепловых и быстрых нейтронов и величина K_n, являющаяся отношением сигналов от тепловых и быстрых нейтронов, просуммированных по всей площади позиционно-чувствительного фотоприемника 1. В табл.1 представлены максимальные и минимальные значения К_n при варьировании углов ϕ и θ.

Из таблицы видно, что рассмотренные источники нейтронов можно разбить на 4 группы по величине К_n:

генератор 14 МэВ нейтронов;

генератор 3 МэВ нейтронов;

изотопные источники на основе реакции Ве9(α,n)С12;

источник нейтронов спонтанного деления. Отличие в величине К_n между этими группами превышает 50%, что значительно больше изменения К_n при изменении ориентации ВОЭП относительно источника нейтронов. В группе источников нейтронов деления выделяются источник ²⁵²Cf, К_n для которого примерно на 20% ниже, чем для нейтронов деления других изотопов.

Тип источника устанавливается путем определения К_n при произвольном положении ВОЭП и сравнения с величиной К_n из банка данных. В случае неоднозначного определения типа источника при произвольном положении ВОЭП проводится дополнительное измерение, в котором ВОЭП устанавливается так, чтобы пучок нейтронов падал на торец ВОЭП с детектором тепловых нейтронов. При такой ориентации ВОЭП уменьшается диапазон возможных значений коэффициента К_n для данного типа источника. Для увеличения надежности идентификации источника проводится сравнение измеренных в этом положении двумерных распределений сигналов от быстрых и тепловых нейтронов с ранее измеренными для различных типов источников. В качестве критерия используется отношение величин сигналов на краях ВОЭП. Для первичных нейтронов с энергией 14 МэВ это отношение составляет примерно 2,2. Для нейтронов с энергией 3 МэВ величина отношения составляет 5,4.

Для нейтронов спектра деления Pu²³⁹ величина отношения составляет 7,9.

Пространственное распределение тепловых нейтронов (фиг.4) имеет колоколообразный вид. Расстояние до поверхности падения, на котором наблюдается максимум потока тепловых нейтронов, тем меньше, чем меньше энергия первичного нейтрона. Положение максимума используется как дополнительный критерий при установлении типа источника.

Для идентификации источника быстрых нейтронов, исходя из пространственных зависимостей, представленных на фиг.3 и 4, проводят калибровочные измерения для конкретного типа фотоприемного устройства с различными типами источников.

Регистратор ионизирующего излучения, содержащий блок из полимерных сцинтиллирующих оптических волокон и позиционно-чувствительный фотоприемник, отличающийся тем, что блок из полимерных сцинтиллирующих оптических волокон выполнен в виде волоконно-оптического экранного преобразователя из жгута протяженных сцинтиллирующих волокон, на одной из торцевых поверхностей жгута расположена маска для регистрации тепловых нейтронов, блок снабжен системой азимутальных перемещений, маска для регистрации тепловых нейтронов выполнена из оптически прозрачного материала, на поверхность которой слой люминофора нанесен в шахматном порядке.