Способ обнаружения источника проникающих излучений

Предложенное 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. Данное изобретение позволяет регистрировать как быстрые нейтроны, так и тепловые нейтроны, а также гамма- и рентгеновское излучение. Кроме того, оно позволяет идентифицировать излучение и определять направление на источник излучения. Предложенный способ обнаружения источника проникающих излучений с помощью сцинтиллирующих оптических элементов заключается в том, что используют блок годоскопа из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сцинтиллирующие оптические элементы блока годоскопа выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением, в стержнях пакета размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, при этом, по крайней мере, одна из граней блока годоскопа последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов, а каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучения, разделяют потоки излучений, поступающих извне и родившиеся внутри блока годоскопа. При этом регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны блока годоскопа к другой, по калибровочным значениям отношения световых сигналов от тепловых и быстрых нейтронов идентифицируют источник быстрых нейтронов, а по градиенту светового сигнала определяют направление на источник. 3 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.

Известны способы обнаружения источника проникающих излучений с помощью сцинтиллирующих оптических элементов, основанные на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения фотоприемником. В способе используют твердотельный детектор, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящих из этих элементов.

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

Способу характерны большие оптические потери при передаче излучения на большие расстояния. Реализация самого волоконного модуля сложна из-за соединения элементов (волокон) с помощью переходного жгута. Способ не позволяет определять местоположение источника радиоактивного излучения и его тип.

Известен способ определения проникающего излучения и ядерно-физических параметров и элементного состава сборки, содержащей делящееся вещество. Импульсами протонов длительностью 5-50 нс облучают сборку, временное распределение гамма квантов регистрируют в течение 200-2000 нс после прохождения через исследуемый объект облучающего импульса, вызывающего в делящихся материалах эмиссию запаздывающих гамма квантов. Для каждого зарегистрированного гамма кванта измеряют его энергию, запоминают время регистрации.

Патент Российской Федерации №2130653, G21С 17/06, Бюл. №14, 1999 г.

Изобретение основано на методике сравнения с калибровочными данными при регистрации запаздывающих гамма квантов и применимо только в условиях сложной стационарной установки.

Известен способ, в котором тяжелые заряженные частицы с энергией 5-6 МэВ в виде коротких импульсов и МГц-частотой повторения, конвертируют, получая слабонаправленный поток быстрых нейтронов, формируют пучок нейтронов карандашного типа, направляют его на инспектируемый объект и перемещают по поверхности объекта. Активируют по микрообъемам вещество объекта (закладку, контрабанду), регистрируют характеристические гамма кванты элементов, входящих в состав этого вещества.

Патент США №5076993, МПК: G21G 1/06, 1991 г.

В данном способе для отображения содержимого объекта на мониторах применяют времяпролетный анализ для построения трехмерного изображения внутреннего содержимого объекта.

Способ не применим для инспекции ядерных материалов, сокрытых в средах нейтронозамедляющих легкоэлементных веществ (типа воды, нефти, спирта и т.п.) или прикрытых защитными экранами из веществ большого атомного номера Z. Способ не применим в условиях производства и полевых условиях.

Известен способ обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов с помощью волоконного блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, основанный 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 способ позволяет регистрировать только быстрые нейтроны, и не позволяет идентифицировать излучение, определить направление излучения. Данный способ не применим при энергии нейтронов, пробег протонов отдачи от которых меньше сечения волокна.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

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

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения источника проникающих излучений с помощью сцинтиллирующих оптических элементов, основанном на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения фотоприемником, используют блок годоскопа из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сцинтиллирующие оптические элементы блока годоскопа выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·а, где: а - ширина стержня, b - высота стержня, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, при этом, по крайней мере, одна из граней блока годоскопа последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов, а каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучения, разделяют потоки излучений, поступающих извне и родившиеся внутри блока годоскопа, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны блока годоскопа к другой, по калибровочным значениям отношения световых сигналов от тепловых и быстрых нейтронов идентифицируют источник быстрых нейтронов, а по градиенту светового сигнала определяют направление на источник.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 схематично представлен блок годоскопа, где:

1 - сцинтиллирующие оптические элементы (далее стержни). Сцинтиллирующие оптические элементы 1 уложены рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выполнены в виде стержней.

Стержни 1 имеют сечение: а·b, (а - ширина стержня, b - высота стержня) скомпонованы в пакет размерами: k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·а, где k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета,

2 - спектросмещающие волокна,

3 - пластины из вещества ослабляющего рентгеновское излучение или гамма излучение: свинца, вольфрама, обедненного урана, железа.

4 - две пластины сцинтиллятора для регистрации гамма-излучения и рентгеновского излучения, содержащие один из следующих сцинтилляторов: CsI(Na), LaBr₃(Се), CdWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂ и спектросмещающее волокно с фотодиодами.

5 - пластина из поглощающего тепловые нейтроны вещества, содержащего один или смесь следующих элементов: кадмий, гадолиний, изотоп лития ⁶Li, изотоп бора ¹⁰В.

6 - две пластины сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов, содержащие один или смесь следующих элементов: гадолиний, изотоп лития ⁶Li, изотоп бора ¹⁰В, оптическую подложку и спектросмещающее волокно с фотодиодами.

Пакет стержней 1, спектросмещающие волокна 2 с фотодиодами и набор пластин 3, 4, 5, 6 вокруг пакета представляют собой блок годоскопа.

На фиг.2 представлен фрагмент стержня с сечением a·b (a - ширина стержня, b - высота стержня), где: 1 - сцинтиллирующие оптические стержни, 2 - спектросмещающие волокна.

На фиг.3 схематично представлена структура годоскопа, где:

7 - схема совпадений, 8 - контроллер, 9 - компьютер.

Для повышения чувствительности измерений пластины 3, 4, 5 и 6 размещены на всех шести гранях пакета стержней 1. Внутренняя и внешняя пластины 4 регистрируют как внешнее излучение, так и возникшие излучения внутри блока годоскопа.

Внутренние пластины 6 необходимы для регистрации тепловых нейтронов, рожденных внутри блока годоскопа, определения отношения сигналов от тепловых и быстрых нейтронов, необходимого для идентификации источника быстрых нейтронов.

Внешние пластины 6 позволяют обнаружить нейтронный источник либо тепловых нейтронов, либо быстрых нейтронов, замедлившихся в окружающей источник среде. Промежуточная пластина 5 экранирует внутреннюю пластину 6 от воздействия внешних тепловых нейтронов и обеспечивает правильность идентификации источника быстрых нейтронов в случае присутствия также внешних тепловых нейтронов.

Внутренние и внешние пластины 4, а также пластина 3 позволяют разделить гамма-излучение, рожденное внутри блока годоскопа и пришедшее извне. Кроме того, пластины 4 позволяют измерить энергию рентгеновского или гамма-излучения и уточнить характеристики ядерного источника.

Наличие внешних пластин 4, 6 со всех сторон обеспечивает определение направления на источник тепловых нейтронов или рентгеновского и гамма излучения по разности сигналов с противоположных пластин.

Различие счета (регистрации событий), вызванное наличием пластины 3, служит для обнаружения присутствия внешнего источника. Измерение энергии регистрируемого излучения по амплитуде люминесцентных вспышек способствует идентификации источника излучения.

Внутренняя пластина 6 для регистрации тепловых нейтронов регистрирует тепловые нейтроны, образовавшиеся внутри блока годоскопа в результате замедления быстрых нейтронов и служит для идентификации источника быстрых нейтронов.

Внешняя пластина 6 для регистрации тепловых нейтронов регистрирует тепловые нейтроны, падающие на блок годоскопа извне, и служит для обнаружения внешнего источника тепловых нейтронов.

Спектросмещающие волокна 2 служат для сбора света от люминесцентных вспышек и выведения света на фотоприемники (фотодиоды), которые расположены на концах спектросмещающих волокон 2 (фотоприемники на фигурах не обозначены позицией).

В случае удаленных фотоприемников спектросмещающие волокна 2 стыкуют со светопроводящим волокном во избежание больших потерь света.

Сигнал с фотоприемников поступает на схему совпадений 7 и далее на электронное устройство сбора и анализа информации (контроллер 8).

Сцинтиллирующие оптические стержни 1 выполнены из водородосодержащего вещества и служат одновременно как замедлителем быстрых нейтронов, так и их детектором. Быстрые нейтроны (поток ионизирующего излучения) замедляются в сцинтиллирующих оптических стержнях 1 и при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода теряют свою энергию, рождают протоны отдачи, которые и вызывают сцинтилляции.

Свет от сцинтилляционных вспышек распространяется по сцинтиллирующим оптическим стержням 1, собирается спектросмещающими волокнами 2 и передается на торцы спектросмещающих волокон 2, где расположены фотоприемники, включенные в схему совпадений 7.

Схема совпадений 7 включает в себя двухканальный усилитель, два резистивных делителя напряжения для подбора напряжения питания в диапазоне 50-60 вольт независимо для каждого из двух фотоприемников и временные ворота. Использование временных ворот позволяет уменьшить количества ложных событий, регистрируемых стержнями 1 и пластинами 4, 6 устройства и обусловленных фоновым сигналом с фотоприемника. При временном окне 10-20 нс количества ложных событий может быть уменьшено до одного за 1000 с.

Для увеличения количества собираемого света (фотонов) сцинтиллирующие оптические стержни 1 покрыты светоотражающей оболочкой. Сигналы со схемы совпадений 7 поступают на вход контроллера 8, а после обработки на компьютер 9. Контроллер 8 опрашивает выходные регистры схемы совпадений 7, осуществляет первичную обработку полученной информации и передает ее в компьютер 9.

Направление на источник определяется по направлению быстрейшего роста сигнала быстрых нейтронов и находится как вектор между областями блока годоскопа, используемыми для регистрации быстрых нейтронов, симметричными относительно его центра.

Для идентификации источника используются заранее измеренные для различных источников быстрых нейтронов пространственные распределения сигнала быстрых нейтронов и величина S_т/S_б, являющаяся отношением интегральных сигналов S_т от тепловых и S_б от быстрых нейтронов, просуммированных по всем регистрирующим элементам, соответственно, для тепловых и быстрых нейтронов.

Результаты отношений интегральных сигналов S_т/S_б для различных типов источников излучений приведены в таблице.

Тип источника	Sт/Sб
14 MeV	3,2E-02
RaBe, PuBe	2,2E-01
3 MeV	4,7E-01
252Cf	8,3E-01
235U, 239Pu	1

Способ обнаружения источника проникающих излучений с помощью сцинтиллирующих оптических элементов, основанный на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения фотоприемником, отличающийся тем, что используют блок годоскопа из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сцинтиллирующие оптические элементы блока годоскопа выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением a·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·а - по ширине и длиной m·a, где а - ширина стержня, b - высота стержня, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, при этом, по крайней мере, одна из граней блока годоскопа последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов, а каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучения, разделяют потоки излучений, поступающих извне и родившиеся внутри блока годоскопа, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны блока годоскопа к другой, по калибровочным значениям отношения световых сигналов от тепловых и быстрых нейтронов идентифицируют источник быстрых нейтронов, а по градиенту светового сигнала определяют направление на источник.