Детектор излучений

Предложенное изобретение относится к области анализа материалов, а именно к исследованию или анализу предметов радиационными методами для обнаружения радиоактивных материалов и источников. Техническим результатом изобретения является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, а также возможность определения вида, местоположения и направления перемещения источника излучения. Предложенный детектор излучений содержит, по крайней мере, по одному слою, содержащему элементы, регистрирующие быстрые нейтроны, регистрирующие тепловые нейтроны, по одному слою, содержащему элементы, регистрирующие гамма-излучение, по одному слою, выполненному из полиэтилена, по одному слою, выполненному из свинцовой фольги, слои выполнены автономно с возможностью перемещения и изменения последовательности их расположения друг за другом, электрические связи выполнены в виде шлейфовых соединений, сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней, расположенных в одной плоскости с возможностью изменения расстояния между ними, по крайней мере, на одной грани каждого стержня выполнен паз, в котором размещено спектросмещающее сцинтиллирующее волокно, на торцах волокон расположены фотодиоды, обеспеченные выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области анализа материалов, 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 элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из этих элементов.

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

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

Устройство не позволяет определять местоположение источника радиоактивного излучения, направление его перемещения и его тип.

Известен многослойный детектор, содержащий оптический преобразователь для обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Работа блока основана на рождении протонов отдачи в материале элемента, 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.

Многослойный детектор позволяет регистрировать только быстрые нейтроны и не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения. Размеры элементов ограничены и представляют собой волокна с поперечным размером не более 1 мм.

Известен многослойный детектор, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, изготовленных из набора материалов, плотность которых монотонно возрастает от первого ряда к последнему слою, и фотоприемников.

Рекламный листок Института физики твердого тела Российской Академии Наук, Черноголовка, Московской области. 2005 г. «Антитеррористические просвечивающие установки для экспрессного выявления взрывчатых веществ».

Недостатком такого детектора и установки в целом является необходимость получения изображения скрытых предметов при просвечивании рентгеновским излучением конкретных предметов в явочном порядке. К тому же нет возможности вести скрытый процесс исследований и измерений. Детектор предназначен для регистрации лишь одного типа излучения, а именно рентгеновского, и не может регистрировать нейтронное излучение. Прототип.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа. Техническим результатом изобретения является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, определение местоположения и направления перемещения источника излучения, его идентификация или определение вида излучения, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них, возможность проведения скрытого экспресс-анализа.

Технический результат достигается тем, что в многослойный детектор излучений, содержащий слои водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами, и фотоприемники, дополнительно содержит, по крайней мере, по одному слою, содержащему элементы, регистрирующие быстрые нейтроны, регистрирующие тепловые нейтроны, по одному слою, содержащему элементы, регистрирующие гамма-излучение, по одному слою, выполненному из полиэтилена, по одному слою, выполненному из свинцовой фольги, причем слои выполнены автономно с возможностью перемещения в плоскости и изменения последовательности их расположения друг за другом, электрические связи выполнены в виде шлейфовых соединений, а сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней, расположенных в одной плоскости с возможностью изменения расстояния между ними, по крайней мере, на одной грани каждого стержня выполнен паз, в котором размещено спектросмещающее сцинтиллирующие волокно, на торцах каждого из волокон расположены фотодиоды, обеспеченные выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-4.

На фиг.1 схематично показано устройство из пяти слоев, где: 1 - слой, содержащий элементы, регистрирующие быстрые нейтроны (слой типа БН), 2 - слой, содержащий элементы, регистрирующие тепловые нейтроны (слой типа ТН), 3 - слой, содержащий элементы, регистрирующие гамма-излучение (слой типа ГИ), 4 - слой, выполненный из полиэтилена (слой типа ПЭ) и служит, в зависимости от его расположения, для замедления быстрых нейтронов или отражения быстрых и тепловых нейтронов, 5 - слой выполнен из свинцовой фольги (слой типа СВ) и служит для усиления сигнала от гамма излучения, 6 - спектросмещающие волокна слоя, 7 - фотодиоды, 8 - спектросмещающие волокна слоя 2.

На фиг.2 показана зависимость частоты генерации собственных электронных шумов на выходе слоя, состоящего из 96 элементов, как с дискриминацией сигнала по амплитуде, так и без нее (нулевой порог). Частота следования генерационных (собственных) шумов каждого из фотодиодов составляет 1 МГц. Временные ворота схемы совпадений в рассматриваемом случае составляют 10 нс.

На фиг.3 для сравнения показана зависимость частоты сигнала, вызванного природным фоновым нейтронным излучением с учетом интенсивности и спектрального состава нейтронного излучения в условиях Москвы для слоя типа БН объемом 9,6 дм³, содержащего те же 96 элементов. На фиг.4 представлена зависимость отношения сигнал/шум от порога дискриминации сигналов фотодиода для двух типов источников быстрых нейтронов Pu-Ве и ²⁵²Cf при времени регистрации 1 с.

Гибкие шлейфовые электрические связи позволяют перемещать каждый из слоев в плоскости и/или в параллельных плоскостях, а также изменять последовательность расположения слоев. Это позволяет осуществить различные комбинации для регистрации излучений движущихся и стационарных объектов и проводить регистрацию излучений в режиме скрытого экспресс-анализа.

Детектор может содержать следующие комбинации слоев различных типов: ПЭ-БН-ТН-СВ-ГИ; ПЭ-БН-ТН-ГИ; БН-ТН-СВ-ГИ; ПЭ-БН-ТН; ТН-СВ-ГИ; БН-ТН; СВ-ГИ; ПЭ-БН; ТН-ПЭ-ТН; БН; ТН; ГИ.

Толщина слоя 4 типа-ПЭ определяется длиной замедления быстрых нейтронов и в зависимости от типа предполагаемого источника может составлять 3-5 см. Слой 1 типа-БН содержит люминесцирующие полистирольные стержни, снабженные спектросмещающими волокнами 6 и фотодиодами 7 и служит для регистрации быстрых нейтронов. Применение спектросмещающих волокон позволяет собирать свет со стержней объемом не менее 10² см³ и использовать для регистрации сцинтилляционных вспышек фотодиоды 7 малого (около 1 мм) диаметра. Многослойный детектор может вместо слоя 4 типа-ПЭ содержать несколько слоев 1 типа-БН. Это увеличивает стоимость детектора, но в то же время возрастает и его эффективность. Следующий слой 2 состоит из литийсодержащих люминесцирующих волокон, служащих для регистрации тепловых нейтронов. В волокне под действием тепловых нейтронов происходит ядерная реакция ⁶Li (n,α) T. Заряженные частицы (альфа и тритон) вызывают сцинтилляционные вспышки, часть света которых распространяется по волокну к его концам. Торцы волокон 8 в слое примыкают с зазором 0,1-0,3 мм к спектросмещающему волокну (фиг.1), на концах которого также установлены фотодиоды 7. Для увеличения эффективности регистрации детектор может содержать несколько таких слоев. Эффективность детектора от числа слоев для волокна диаметром 1 мм с учетом состава волокна, производимого фирмой NucSafe, представлена в таблице 1.

Таблица 1.
Число слоев	1	2	3	4	5
Эффективность	0,51	0,76	0,87	0,93	0,97

Слой 5 типа-СВ служит для преобразования гамма-излучения в заряженные частицы и увеличения эффективности регистрации гамма-излучения.

Слой 3 типа-ГИ содержит стержни, люминесцирующие под действием гамма-излучения и снабженные, аналогично слою 1 типа-БН, спектросмещающими волокнами 6 и фотодиодами 7.

Элементы слоев 1 и 2 и слоя ГИ, используемые для регистрации быстрых и тепловых нейронов, и гамма-излучения снабжены двумя фотодиодами 7, включенными в схему совпадений, которая обеспечивает уменьшение частоты следования импульсов, обусловленных собственными шумами фотодиодов.

Общее число регистрирующих элементов слоя детектора выбирается из условия превышения частоты следования импульсов, вызванных фоновыми излучениями, частоты следования импульсов собственных шумов со всех элементов.

Из графиков, представленных на фиг.2 и 3, видно, что частота собственных шумов сигнала с 96 регистрирующих элементов совпадает с частотой следования импульсов, вызванных фоновым нейтронным излучением, при пороге, соответствующем генерации в фотодиоде шести фотоэлектронов.

Возможность обнаружения источника быстрых нейтронов с помощью слоя, состоящего из 96 элементов того же объема (9,6 дм³), показана на фиг.4 для источников Pu-Ве и ²⁵²Cf при плотности потока быстрых нейтронов на детектор 3×10^-2 н/см²с за время 1 с. На фигуре показана зависимость отношения полезного сигнала к стандартной ошибке с учетом наличия фонового сигнала. Видно, что оптимальное значение порога составляет 7-8 фотоэлектронов.

Спектросмещающие волокна 2 служат для сбора света от люминесцентных вспышек и выведения света на фотоприемники (фотодиоды), которые расположены на концах спектросмещающих волокон 6, 8. В случае удаленных фотоприемников спектросмещающие волокна 2 стыкуют со светопроводящим волокном во избежание больших потерь света.

Сигнал с фотодиодов 7 при включении детектора к измерительным структурам поступает на схему совпадений и далее на электронное устройство сбора и анализа информации.

Сцинтиллирующие оптические стержни слоя 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 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 слоя 1, собирается спектросмещающими волокнами 6 и передаются на торцы спектросмещающих волокон 6, где расположены фотодиоды 7.

Фотодиоды 7, слой 2 для тепловых нейтронов, слой 3 для регистрации гамма-излучения и рентгеновского излучения обеспечены выводами для соединения со схемами совпадений. Схема совпадений, в частности, 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. Сигналы со схем совпадений поступают на вход контроллера, а после обработки на компьютер. Контроллер опрашивает выходные регистры схем совпадений, осуществляет первичную обработку полученной информации и передает ее в компьютер. Схемы совпадений, контроллеры и центр обработки информации не является предметом данного изобретения.

В зависимости от типа источника, а также химического состава предметов, находящихся между источником и детектором, на детектор могут поступать: только быстрые нейтроны; только тепловые нейтроны; только гамма-излучение; различные комбинации первых трех типов излучений.

При потоке только быстрых нейтронов они вызывают сцинтилляционные вспышки в элементах слоя 1. Кроме того, замедляясь в слое 1, эти нейтроны вызывают сцинтилляционные вспышки в элементах слоя 2. Для увеличения эффективности рождения тепловых нейтронов может быть использовано несколько слоев 1. Причем, они могут быть расположены как друг за другом, так и вокруг слоя 2. В последнем случае вместо дополнительного слоя 1 может быть установлен слой 4, обеспечивающий отражение на детектор как быстрых, так и тепловых нейтронов. Идентификация источника быстрых нейтронов производится по: максимальной амплитуде импульсов, полученных со слоя 1; соотношению количества импульсов со слоев 1 и 2; временным корреляциям между импульсами, поступающими со слоя 1; временным корреляциям между импульсами, поступающими с элементов слоя 1, с импульсами, поступающими со слоя 2. При расстоянии между источником и детектором меньше или порядка размера детектора направление движения источника определяется по очередности срабатывания регистрирующих элементов (стержней) слоя 1. При потоке только тепловых нейтронов (источник быстрых нейтронов находится в водородосодержащем веществе) импульсы поступают только со слоя 2. При потоке только гамма-излучения импульсы поступают только со слоя 3. При расстоянии между источником и детектором меньше или порядка размера детектора направление движения источника определяется по очередности срабатывания регистрирующих элементов (стержней) слоя 3. Слой 5 применяется для преобразования рентгеновского и гамма-излучений в заряженные частицы с целью увеличения эффективности регистрации этих излучений. Идентификация источника проводится по амплитудному спектру импульсов, поступающих с элементов слоя. При смешанных потоках различных видов излучений импульсы поступают с различных типов слоев.

Информация об источнике получают на основе совместного анализа всей доступной информации: амплитуды сигналов со слоя 1, амплитуды сигналов со слоя 3, временных корреляций между импульсами, поступивших с отдельных элементов слоя 1, временных корреляций между импульсами, поступивших с элементов слоя 1 и со слоя 2, временных корреляций между импульсами, поступивших с элементов слоев 1 и 3, временных корреляций между импульсами, поступивших с элементов слоев 1, 2 и 3, соотношению количеств импульсов, поступивших с различных слоев, эффекту, вызванному применением слоев 4 и 5.

Детектор излучений, содержащий слои водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами, и фотоприемники, отличающийся тем, что детектор содержит, по крайней мере, по одному слою, содержащему элементы, регистрирующие быстрые нейтроны, регистрирующие тепловые нейтроны, по одному слою, содержащему элементы, регистрирующие гамма-излучение, по одному слою, выполненному из полиэтилена, по одному слою, выполненному из свинцовой фольги, слои выполнены автономно с возможностью перемещения и изменения последовательности их расположения друг за другом, электрические связи выполнены в виде шлейфовых соединений, сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней, расположеных в одной плоскости с возможностью изменения расстояния между ними, по крайней мере, на одной грани каждого стержня выполнен паз, в котором размещено спектросмещающее сцинтиллирующие волокно, на торцах волокон расположены фотодиоды, обеспеченные выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек.