Способ детектирования источника потока нейтронов и гамма-излучения

Изобретение предназначено для целей радиационного мониторинга, для обнаружения и идентификации источников нейтронного и гамма-излучения. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение углового разрешения при детектировании источника потока нейтронов, обеспечение возможности детектирования с высоким энергетическим и угловым разрешением источника потока гамма-излучения, увеличение чувствительности к гамма-квантам и нейтронам при наличии фонового излучения. Способ детектирования источника потока нейтронов и гамма-излучения заключается в регистрации сцинтилляции от пролетающих нейтронов с помощью трех позиционно-чувствительных детекторов на основе LBO-стекла и BGO-сцинтиллятора, расположенных друг под другом в параллельных плоскостях. В качестве устройств для преобразования светового импульса в электрический применяют четыре p-i-n диода, которые размещают по одному на каждой из четырех усеченных сторон каждого сцинтиллятора под углом 90° друг к другу на разной высоте. Координату сцинтилляции в каждом детекторе определяют по отношениям амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов этого детектора, энергию рассеянного нейтрона при определении угловых координат источника потока нейтронов измеряют путем суммирования амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов детектора, расположенного на среднем уровне относительно источника потока нейтронов, а энергию рассеянного гамма-кванта при определении угловых координат источника потока гамма-квантов измеряют путем суммирования амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов детектора, расположенного на нижнем уровне относительно источника потока гамма-квантов. 3 ил.

 

Изобретение предназначено для целей радиационного мониторинга, для обнаружения и идентификации источников нейтронного и гамма-излучения, в частности для удаленных источников, для инспекции ядерной деятельности, в пунктах контроля за провозом делящихся материалов.

Известен сцинтилляционно-модульный способ [1], который используют для определения угловых координат источника нейтронов, плотности потока и энергий нейтронов. При этом способе используют два позиционно-чувствительных детектора (ПЧД), разнесенных на определенное расстояние друг от друга, причем ПЧД представляет собой набор сцинтиблоков (модулей), каждый из которых состоит из одного сцинтиллятора и одного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Взаимодействие нейтрона со сцинтиллятором проявляется в виде радиолюминесценции (сцинтилляции), которая фиксируется с помощью ФЭУ. Координата сцинтилляции в ПЧД определяется по положению одного сработавшего сцинтиблока из имеющегося набора модулей, т.е. за координату сцинтилляции независимо от того, в какой точке модуля она произошла, принимается координата центра модуля. Аналогично измеряется координата сцинтилляции и во втором ПЧД. Таким образом, измерение координаты сцинтилляции в ПЧД происходит дискретно с шагом, который в принципе не может быть меньше диаметра ФЭУ. Поскольку энергия, угол рассеяния частицы и угловые координаты источника ионизирующего излучения вычисляются на основании измеренных координат сцинтилляции, то использование сцинтилляционно-модульного способа [1] не дает достаточного углового разрешения при определении угловых координат источника излучения. Кроме этого, отметим, что в [1] не оговорена возможность применимости такого способа для детектирования источника потока гамма-излучения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ детектирования источника потока нейтронов, описанный в [2] (прототип). В этом способе также используют два позиционно-чувствительных детектора, которые расположены на некотором расстоянии друг под другом в параллельных плоскостях. Каждый детектор представляет собой один сцинтиллятор и набор из N≥7 фотоприемников, покрывающих тыльную поверхность каждого сцинтиллятора и оптически сопряженных с ним. В результате взаимодействия нейтрона с первым сцинтиллятором, находящимся в верхней плоскости относительно источника потока нейтронов, возникает протон отдачи, образующий сцинтилляцию, интенсивность которой фиксируется одновременно всеми фотоприемниками. (Координату сцинтилляции в каждом детекторе определяют по распределению светового потока в объеме соответствующего сцинтиллятора.) Координату сцинтилляции вычисляют как ΣR_k0l_k/Σl_k, где R_k - координата центра k-го фотоприемника в выбранной системе координат, l_k - амплитуда сигнала на k-м фотоприемнике, Σl_k - сумма амплитуд импульсов со всех N фотоприемников. Энергию протона отдачи, образованного нейтроном в результате взаимодействия с первым сцинтиллятором, измеряют путем суммирования амплитуд импульсов со всех N фотоприемников этого сцинтиллятора. Аналогично происходит взаимодействие рассеянного нейтрона во втором сцинтилляторе. Энергию рассеянного нейтрона вычисляют, измеряя время пролета этого нейтрона между сцинтилляторами и учитывая координаты сцинтилляций (время - пролетным методом). Угол рассеяния нейтрона в первом сцинтилляторе относительно направления первоначального падения вычисляется с помощью значений энергии протона и энергии рассеянного нейтрона. Угловые координаты источника нейтронов определяют с учетом угла рассеяния нейтрона в первом сцинтилляторе относительно направления первоначального падения и координат сцинтилляций в каждом детекторе. Для достижения углового разрешения 0,1 рад и энергетического разрешения 15% требуется не менее 7 фотоприемников. Энергию рассеянного нейтрона можно определить так, как описано в патенте [2], лишь в случаях, когда время пролета этого нейтрона между сцинтилляторами значительно больше времени сцинтилляционной вспышки, т.е. если детекторы находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, следовательно, вероятность того, что нейтрон попадет во второй детектор, небольшая, а значит, чувствительность к нейтронам при таком способе детектирования низкая. Надо отметить, что в прототипе координаты сцинтилляций определяют в двумерной системе координат (X, Y), однако все сцинтилляторы имеют толщину приблизительно от 40 до 70 мм. Т.е. третью координату (Z) в этом способе не определяют. Следовательно, координаты сцинтилляций в первом и втором сцинтилляторах находят неверно. Это приводит к неправильному определению энергии рассеянного нейтрона, а значит, в прототипе неверно вычисляют угол рассеяния нейтрона в первом сцинтилляторе относительно направления первоначального падения, соответственно, и угловые координаты источника определяют с большой погрешностью. Кроме того, нейтроны, проходя через первый сцинтиллятор и рассеиваясь на его атомах, испытывают дополнительное рассеяние на атомах материала, из которого изготовлены фотоприемники, за счет чего нейтроны дополнительно теряют энергию и значительно меняют направление вылета из первого сцинтиллятора во второй. В результате этого сцинтилляция от взаимодействия нейтрона со вторым сцинтиллятором возникает в точке, местоположение которой в значительной степени отличается от того, где на самом деле должна была бы произойти сцинтилляция, если бы фотоприемниками не покрывали поверхность сцинтилляторов. Следовательно, и определяемые значения координаты сцинтилляции во втором сцинтилляторе неверны (даже если бы в прототипе координаты определялись в трехмерной системе координат). Поэтому правильно восстановить ось конической поверхности всех возможных направлений полета исходного нейтрона (а эта ось определяется по координатам влета нейтрона в первый и во второй сцинтилляторы) не представляется возможным. А следовательно, и угловые координаты источника нейтронов определяют при использовании способа [2] неверно. Т.е. способ, описанный в [2], не пригоден для определения угловых координат источника нейтронов, а применим лишь для регистрации вспышек от взаимодействия нейтронов со сцинтилляторами. О возможности применения такого способа для детектирования источника потока гамма-излучения в [2] даже и не говорится.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение углового разрешения при детектировании источника потока нейтронов, обеспечение возможности детектирования (с высоким энергетическим и угловым разрешением) источника потока гамма-излучения, увеличение чувствительности к гамма-квантам и нейтронам при наличии фонового излучения.

Поставленная задача решается за счет того, что для увеличения чувствительности к нейтронам при наличии фонового излучения и повышения углового разрешения при детектировании источника потока нейтронов в качестве сцинтиллятора для детектора, предназначенного для регистрации нейтронов в смешанных полях гамма-нейтронного излучения, используют материал на основе литий-боратного (LBO) стекла, у которого коэффициент подавления гамма-излучения по отношению к нейтронному лежит в пределах от 220 до 530, а для обеспечения возможности детектирования (с высоким энергетическим и угловым разрешением) источника потока гамма-излучения и увеличения чувствительности к гамма-квантам при наличии фонового излучения дополнительно используют третий детектор на основе BGO-сцинтиллятора (ортогерманата висмута), чувствительного к гамма-квантам и имеющего наилучший коэффициент подавления нейтронного излучения. (Третий детектор располагают под первыми двумя детекторами параллельно им). Эффективность регистрации значительно повышается, если детекторы объединить в телескопическую систему. За счет разнесения в пространстве можно увеличить угловую чувствительность и существенно снизить влияние фонового излучения.

Для достижения высокой селективности регистрации нейтронов по отношению к гамма-квантам используют оптический сцинтилляционный материал, который включает оксиды бора, лития и кремния при следующем их содержании, вес.%: В₂O₃ 79,0-95,5; Li₂O 4,0-16,0; SiO₂ 0,5-5,0 и может содержать добавки ионов-активаторов редкоземельных элементов в количестве 0,1-10,0 вес. %, а также ионов меди Cu₁+ в количестве 0,1-2,5 вес.%. Для обеспечения максимального светосбора - соответствие длины волны сцинтилляционной вспышки с диапазоном длин волн максимальной чувствительности фотоприемника - используются различные активаторы. Так, для фотоэлектронных умножителей, материал содержит 2,5 вес.% ионов Се₂+, а при использовании кремниевых p-i-n диодов - 2,5 вес.% ионов Eu₃+.

Выбор указанного состава материала обусловлен требованиями обеспечения его оптической прозрачности и однородности, повышением светового выхода при регистрации нейтронов и снижением чувствительности к ионизирующим излучениям других типов, главным образом к гамма-излучению. Выбор стеклообразного состояния материала определяется возможностью образования в широкой области составов системы оксидов лития и бора (от 75 до 100 мас.% В₂О₃) оптически прозрачных стекол. Структура оксидных литий-боратных стекол допускает введение в значительных концентрациях дополнительных компонентов состава, в частности указанных выше, оксида кремния и элементов-активаторов. При этом обеспечивается равномерное распределение активатора по объему стекла и не происходит образования дефектов, снижающих оптическую прозрачность получаемого материала. Для подавления кристаллизации стеклообразного материала в его состав вводят дополнительный стеклообразующий компонент - оксид кремния. Аморфное состояние материала устраняет трещинообразование, связанное со структурной анизотропией монокристалла.

Использование LBO-стекла в качестве сцинтиллятора для детектора, предназначенного для регистрации нейтронов, позволяет измерить энергию рассеянного нейтрона путем суммирования амплитуд импульсов со всех устройств для преобразования светового импульса в электрический этого детектора, т.к. для литий-боратного стекла характерно то обстоятельство, что при взаимодействии рассеянного нейтрона с ядрами Li или В энергия световой вспышки прямо пропорциональна энергии, которая передана ядру отдачи, т.е. можно определить энергию самого рассеянного нейтрона. Дополнительное использование третьего детектора, который выполняют на основе BGO-сцинтиллятора (ортогерманата висмута), чувствительного к гамма-квантам, позволяет аналогичным образом определить энергию рассеянного гамма-кванта. Благодаря этому в предлагаемом способе можно сблизить детекторы максимально, поэтому вероятность того, что нейтрон попадет во второй детектор, увеличивается, т.е. количество нейтронов, попадающих во второй детектор, возрастает, а следовательно, повышается чувствительность к нейтронам.

Повышению углового разрешения способствует то, что в предлагаемом способе детектирования источника потока нейтронов и гамма-излучения координату сцинтилляции в каждом детекторе определяют в трехмерной системе координат по отношениям амплитуд импульсов со всех устройств для преобразования светового импульса в электрический (этого детектора). В качестве таких устройств применяют четыре p-i-n диода, которые размещают по одному на каждой из четырех усеченных сторон каждого сцинтиллятора под углом 90° друг к другу на разной высоте. Точность такого определения координаты сцинтилляции достаточно высока. А применение p-i-n диодов и размещение их вышеуказанным образом не приводит к снижению энергетического и углового разрешения при детектировании источника потока нейтронов и гамма-излучения, в отличие от способа, описанного в [2], для осуществления которого фотоприемниками покрывают поверхность каждого сцинтиллятора, что способствует потере энергии нейтронами при прохождении через первый детектор и изменению их направления, в результате чего прототип является непригодным для определения угловых координат источника нейтронов.

Направленная регистрация нейтронов и гамма-излучения в заявляемом способе позволяет увеличить дальнодействие обнаружения низкоинтенсивных источников при наличии естественного фона.

Предлагаемый способ детектирования источника потока нейтронов и гамма-излучения поясняется чертежами: на фиг.1 схематично представлено детектирование источника потока нейтронов, а на фиг.2 - детектирование источника потока гамма-квантов. Нейтроны регистрируют детекторами D₁ и D₂, а гамма-кванты - детекторами - D₁ и D₃.

Детектор D₁ выполняют на основе водородосодержащего сцинтилляционного материала (полистирола), чувствительного к нейтронам и гамма-квантам; в качестве сцинтиллятора для детектора D₂ используют материал на основе литий-боратного (LBO) стекла, чувствительного к нейтронам; а детектор D₃ выполняют на основе BGO-сцинтиллятора (ортогерманата висмута), чувствительного к гамма-квантам.

Детекторы D₁, D₂, D₃ представляют собой цилиндры с усеченными по четырем сторонам их боковых поверхностей сегментами с целью создания поверхностей для светосбора. Преобразование света в электрический импульс осуществляется с помощью p-i-n-диодов. В качестве p-i-n-кодов использовались диоды отечественного производства диаметром 20 мм (размер рабочей поверхности).

Рассмотрим детектирование источника потока нейтронов (см. фиг.1).

Фиг.1: I_n - источник нейтронов; D₁, D₂, D₃ - детекторы; r₁, r₂, m₁, m₂, k₁, k₂ - координаты взаимодействия нейтронов со сцинтилляторами детекторов D₁ и D₂ соответственно; Р - p-i-n диоды, p₁ - протон отдачи.

Нейтрон n₀ (от удаленного источника нейтронов) с кинетической энергией E_n0 падает под некоторым углом к нормали на поверхность детектора D₁, расположенного на верхнем уровне относительно источника потока нейтронов I_n, и в точке r₁=(x₁, y₁, z₁) испытывает рассеяние на ядре водорода (фиг.1), образуя протон отдачи p₁. Взаимодействие протона отдачи p₁ с полистиролом проявляется в виде сцинтилляционной вспышки, интенсивность которой регистрируют всеми четырьмя p-i-n диодами (Р) детектора D₁, и по сумме амплитуд импульсов со всех этих p-i-n диодов измеряют энергию протона отдачи p₁. Для определения координаты влета нейтрона в детектор D₁ используют следующий метод, который поясняется чертежом, представленным на фиг.3. По формуле (1) предварительно рассчитывают зависимость амплитуды (U_i) от координаты вспышки для каждого p-i-n диода.

где Δ Ω_i - телесный угол;

Q - мощность вспышки.

Определяют отношения

как функции координат вспышки для набора точек, равномерно заполняющих объем сцинтиллятора детектора D₁. Решая систему трех уравнений с тремя неизвестными, получают таблицы x(δ₁, δ₂, δ₃), y(δ₁, δ₂, δ₃); y(δ₁, δ₂, δ₃). Эти таблицы используют для определения координат вспышки по экспериментально измеренным величинам U_1э, U_2э, U_3э, ....

где R - радиус p-i-n диода;

h - расстояние от вспышки до p-i-n диода по нормали;

а - поперечное смещение вспышки от центра p-i-n диода.

Далее рассеянный от первоначального направления падения на угол θ_n0 нейтрон n₁ попадает в детектор D₂, расположенный на среднем уровне относительно источника потока нейтронов I_n, и в точке r₂=(х₂, y₂, z₂) поглощается вследствие ядерной реакции в материале этого детектора. Координаты влета рассеянного нейтрона (х₂, y₂, z₂) в детектор D₂ определяют так же, как и координаты (x₁, y₁, z₁). Энергия Е_n0 нейтрона n₀ равна сумме энергии E_p1 протона отдачи р₁ и энергии E_n1 рассеянного нейтрона n₁. В предлагаемом способе энергию рассеянного нейтрона в отличие от способа, описанного в [2], измеряют путем суммирования амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов детектора D₂. Как отмечалось выше, измерить энергию E_n1 рассеянного нейтрона таким образом можно благодаря применению в качестве сцинтилляционного материала для детектора D₂, расположенного на среднем уровне относительно источника потока нейтронов I_n, LBO-стекла, для которого характерно то обстоятельство, что при взаимодействии рассеянного нейтрона с ядрами Li или В энергия световой вспышки прямо пропорциональна энергии, которая передана ядру отдачи. (Т.е. определяют энергию самого рассеянного нейтрона). Угол рассеяния θ_n0 нейтрона в первом детекторе относительно направления первоначального падения вычисляют следующим образом:

Все сказанное выше применимо и к случаю определения угловых координат источника потока гамма-квантов. На фиг.2 схематично представлено детектирование источника потока гамма-излучения. Гамма-кванты регистрируют детекторами D₁ и D₃. I_γ - источник гамма-квантов; D₁, D₂, D₃ - детекторы; r₁, r₃, m₁, m₃, k₁, k₃ - координаты взаимодействия нейтронов со сцинтилляторами детекторов D₁ и D₂ соответственно; Р - p-i-n диоды; e₁ - электрон.

Детектор D₁, на поверхность которого падает гамма-квант, выполняют на основе водородосодержащего сцинтиллятора (полистирола в нашем случае), обладающего высокой эффективностью регистрации гамма-квантов путем их комптоновского рассеяния на электронах вещества сцинтиллятора. Протон отдачи заменяется на рассеянный электрон е₁, а детектор D₃ (фиг.2) регистрирует рассеянный в первом детекторе гамма-квант. В этом случае только надо иметь в виду, что все гамма-кванты имеют одинаковую скорость света, которая не зависит от энергии гамма-квантов.

Все возможные направления подлета нейтрона (гамма-кванта) в детектор D₁ образуют вокруг траектории движения рассеянного в этом детекторе нейтрона (гамма-кванта) коническую поверхность с углом полураствора θ_n0(θ_γ0). Каждому влетающему в первый детектор нейтрону (гамма-кванту) соответствует своя коническая поверхность, и лишь одна из образующих конической поверхности направлена на истинный источник I_n(I_γ) нейтронов (гамма-квантов). Пересечение образующих I_nr₁, I_nm₁ и I_nk₁ (I_γr₁, I_γm₁ и I_γk₁) указывает направление на источник I_n(I_γ) нейтронов (гамма-квантов), т.е. угловые координаты источника (фиг.1 и фиг.2). Надо подчеркнуть, что размещение p-i-n диодов на торцах сцинтилляторов вышеуказанным образом не приводит к дополнительной потере энергии нейтронами (гамма-квантами) и изменению их направления при прохождении через первый детектор, что способствует более точному определению угла рассеяния θ_n0(θ_γ0), а следовательно, и угловых координат источника нейтронов (гамма-квантов), т.е. способствует повышению углового разрешения.

Таким образом, заявляемый способ детектирования источника потока нейтронов и гамма-излучения обеспечивает более высокое угловое разрешение (0.02 рад) при детектировании источника потока нейтронов; предоставляет возможность детектирования (с высоким энергетическим и угловым разрешением) гамма-излучения, обеспечивает повышение чувствительности к гамма-квантам и нейтронам при наличии фонового излучения. Возможность детектирования гамма-квантов предлагаемым способом позволяет идентифицировать тип источника делящихся материалов, радионуклидов. Направленная регистрация нейтронов и гамма-излучения способствует увеличению дальнодействия обнаружения низкоинтенсивных источников при наличии естественного фона.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Moon S., Simnett G.M., White R.S. Astrophysical J. 1976, v.207, p.630-638. Upper limits to the quite-time solar neutron flux from 10 to 100 mev.

2. Способ детектирования источника потока нейтронов. Патент РФ №2071088, G01T 3/06, G01T 1/36, G01T 1/20, 1993.

Способ детектирования источника потока нейтронов и гамма-излучения, включающий регистрацию сцинтилляции от пролетающих нейтронов с помощью двух позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на расстоянии друг под другом в параллельных плоскостях, причем при определении угловых координат источника потока нейтронов координату сцинтилляции в каждом позиционно-чувствительном детекторе измеряют по распределению в объеме сцинтиллятора светового потока с помощью устройств для преобразования светового импульса в электрический, отличающийся тем, что детектирование проводят и в отношении гамма-излучения, для чего дополнительно используют третий детектор на основе BGO-сцинтиллятора (ортогерманата висмута), чувствительного к гамма-квантам, который располагают под первыми двумя детекторами параллельно им, в качестве устройств для преобразования светового импульса в электрический применяют четыре p-i-n диода, которые размещают по одному на каждой из четырех усеченных сторон каждого сцинтиллятора под углом 90° друг к другу на разной высоте, координату сцинтилляции в каждом детекторе определяют по отношениям амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов этого детектора, энергию рассеянного нейтрона при определении угловых координат источника потока нейтронов измеряют путем суммирования амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов детектора, расположенного на среднем уровне относительно источника потока нейтронов, за счет использования в качестве сцинтилляционного материала для этого детектора LBO-стекла, а энергию рассеянного гамма-кванта при определении угловых координат источника потока гамма-квантов измеряют путем суммирования амплитуд импульсов со всех четырех p-i-n диодов детектора, расположенного на нижнем уровне относительно источника потока гамма-квантов, за счет использования в качестве сцинтилляционного материала для этого детектора BGO-кристалла (ортогерманата висмута).