Способ регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации


 


Владельцы патента RU 2414725:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" (ГНЦ ИФВЭ) (RU)

Изобретение относится к детекторам элементарных частиц и может быть применено для регистрации нейтронов в физических экспериментах, а также в атомной энергетики (в зонах АЭС, в которых имеется интенсивное гамма-излучение). Технический результат - возможность функционирования детектора нейтронов в условиях рекордно интенсивного гамма-фона (до 100 рад/ч), использование более простой и быстрой электроники для регистрации нейтронов и режекции сигналов от фоновых электронов как по амплитуде, так и по форме импульсов, возможность увеличения регистрации нейтронов (скорости счета). Способ регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, характеризующийся направлением пучка нейтронов в детектор, содержащий корпус в виде цилиндрической трубки, которую заполняют газом, внутри которой посередине располагают анод, а по контуру трубки катод, подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор, отличающийся тем, что пучок нейтронов пропускают в детектор через входное окно, выполненное из бериллия, а сам детектор выполняют с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к детекторам элементарных частиц и может быть применено для регистрации нейтронов в физических экспериментах, а также в атомной энергетики (в зонах АЭС, в которых имеется интенсивное гамма-излучение).

Из уровня техники известны газовые детекторы. Простейшим из них является ионизационная камера [1]. Она представляет собой систему двух электродов в объеме, заполненном инертным газом (чаще всего аргоном и неоном). Если частица полностью останавливается в объеме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы.

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Газовое усиление - это увеличение количества свободных зарядов в объеме детектора за счет того, что первичные электроны на своем пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Такой режим работы отвечает пропорциональному счетчику, который конструктивно представляет цилиндр (катод) с центральной металлической нитью (анод). Недостатком является то, что в ионизационной камере постоянное напряжение и газовое усиление приведет к пробою.

Пропорциональный счетчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Если еще больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и довести коэффициент газового усиления до 104-105, то в детекторе начинает нарушаться пропорциональность между энергией регистрируемой частицы и величиной собранного заряда. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счетчик частиц.

Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объеме свободных носителей зарядов вызовет искровой разряд. При этом амплитуда электрического сигнала с такого счетчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт [1]. Газонаполненные детекторы имеют два недостатка [1]. Во-первых, плотность газа низка, и энергия, теряемая частицей в объеме детектора, мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе, относительно велика (25-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.

Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трех электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролете заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать достигали электродов.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению.

Простейшая ионизационная камера представляет собой замкнутый газовый объем, в котором расположены два плоско-параллельных электрода. К электродам прикладывается разность потенциалов U, создающая в рабочем объеме камеры электрическое поле напряженности E.

Во время движения электронов и ионов к электродам во внешней цепи камеры индуцируется ток, заряжающий емкость C. Нарастание импульса, т.е. зарядка емкости C, прекращается в тот момент, когда все электроны и ионы, созданные в газе камеры, достигнут соответствующих электродов. Емкость C заземлена через сопротивление R, величина которого выбирается такой, чтобы, с одной стороны, не происходила разрядка емкости C в течение времени, пока идет ее зарядка током, идущим через камеру, а с другой стороны, емкость C успела бы почти полностью разрядиться к моменту попадания в камеру следующей частицы. Таким образом, сопротивление R выбирается так, чтобы T<<RC<<Δt, где T - время собирания зарядов, a Δt - временной интервал между импульсами.

Время собирания зарядов, образованных частицей в газе камеры, зависит от скорости их движения к электродам, так называемой скорости дрейфа, причем скорость дрейфа

электронов и ионов различна из-за разницы в их массах (так, скорость дрейфа электронов в ~103 раз больше, чем ионов, а время собирания электронов в ~103 раз меньше).

Амплитуда импульса обусловлена двумя составляющими - электронной и ионной, причем вклад в полную амплитуду импульса зарядов того или иного знака определяется отношением пройденной ими разности потенциалов к полной разности потенциалов, приложенной к электродам камеры.

Характер работы ионизационной камеры существенно зависит от величины напряжения U, приложенного к электродам [1].

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией <10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя. Наиболее близким решением является пропорциональный счетчик [1], в котором используется механизм газового усиления. При этом к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Коэффициент газового усиления может достигать 103-104. В названии пропорциональный счетчик отражено то, что в этом приборе полный собранный заряд остается пропорциональной энергии, потерянной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счетчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.

Конструктивно пропорциональный счетчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно большую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт в зависимости от радиуса нити напряженность поля вблизи анода может достигать 40000 В/см, в то время как у катода она равна сотням в/см.

Если еще больше довести коэффициент газового усиления до значений >104, то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной регистрируемого заряда. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счетчик частиц.

Временное разрешение пропорционального счетчика может достигать сотни наносекунд. Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объем счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергиями, меньшими 20 кэВ, больше 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон. В целом газовые детекторы, действующие в пропорциональном режиме газового усиления, широко применяются для регистрации нейтронов в интервале энергий 10 кэВ-20 МэВ [2]. В качестве рабочего газа используются водородосодержащие газы (метан, этилен и т.п.) и основной вклад во взаимодействие нейтронов с газом есть упругое рассеяние нейтронов на протоне. При наличии внешней радиации гамма-кванты взаимодействуют со стенками детектора и возникающие при этом электроны пронизывают газовый объем детектора. Сигналы от этих электронов являются фоном при регистрации протонов отдачи. Треки протонов отдачи отличаются от треков электронов по степени ионизации электрон-ионных пар вдоль трека, что проявляется в форме электрических сигналов, и это является основой режекции внешней радиации. Если фоновый электрон движется параллельно анодной нити, то режекция невозможна. Поэтому рабочее положение детектора такое, когда пучок нейтронов направлен перпендикулярно боковой поверхности детектора.

Максимальный допустимый гамма-фон не превышает 0.05 рад/ч для практических установок.

Технический результат заявленного изобретения: возможность функционирования детектора нейтронов в условиях рекордно интенсивного гамма-фона (до 100 рад/ч); использование более простой и быстрой электроники для регистрации нейтронов и режекции сигналов от фоновых электронов как по амплитуде, так и по форме импульсов; возможность увеличения регистрации нейтронов (скорости счета).

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, характеризующийся направлением пучка нейтронов в детектор (см. чертеж), содержащий корпус (4) в виде цилиндрической трубки, которую заполняют газом, внутри которой посередине располагают анод (1), а по контуру трубки катод (2), подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор (3), отличающийся тем, что пучок нейтронов пропускают в детектор через входное окно (5), выполненное из бериллия, а сам детектор выполняют с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности.

Кроме того, анод подключают через сопротивление не менее 50 Ом на землю. В детекторе нейтронов режим пропорционального газового усиления заменен на постпропорциональный режим-режимы ограниченной пропорциональности и самогасящийся режим (СГС-режим) [3], при которых образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. Вероятность образования СГС-сигналов зависит от степени ионизации вдоль трека и геометрического положения трека в газовом объеме. Для электронов максимальная степень ионизации будет в конце трека, когда электрон останавливается и фоновые электроны дадут СГС-сигналы, если они летят перпендикулярно анодной нити (или под небольшими углами к ней) и останавливаются внутри детектора. В остальных случаях сигналы от электронов будут в пропорциональной моде газового усиления. Протоны отдачи в этой области энергий нейтронов имеют степень ионизации по крайней мере в несколько раз больше, чем максимальная степень ионизации от электрона и следовательно меньший пробег. Поэтому вероятность стримерного режима для протонов близка к единице. Величина выходного анодного СГС-сигнала достаточно велика (0.6 ч 1.0 мА) и легко выделяется от пропорциональных сигналов. Например, внешняя радиация дозой 100 рад/ч выразится в протекании анодного тока ~1 мкА при коэффициенте газового усиления в пропорциональной моде ~100.

Конструктивное устройство газового детектора показано на чертеже.

Газовый детектор для регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, содержащий корпус (4) в виде цилиндрической трубки, заполненный газом, внутри которой посередине расположен анод (1), по контуру трубки катод (2), подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор (3), отличающийся тем, что содержит входное окно (5), выполненное из бериллия, через которое пучок нейтронов попадает в детектор, а сам детектор выполнен с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. Кроме того, анод подключен через сопротивление не менее 50 Ом на землю.

Сопротивление 50 Ом стандартное - и представляет собой волновое сопротивление кабеля, которое используется в быстрой электронике, ведь сигналы в СГС-режиме пара десятков нсек. Пучок нейтронов попадает в детектор через входное окно. В водородосодержащих газах наблюдается отчетливый СГС-режим, и из большого набора газов можно выбрать приемлемый газ с оптимальными дрейфовыми характеристиками. Конструктивное отличие детектора в СГС-режиме от пропорционального счетчика заключается в диаметре анодной проволоки - если для пропорционального счетчика диаметр анодной проволоки 10~20 мкм, то для счетчика в СГС-режиме 80~100 мкм.

Конструктивно детекторы в пропорциональном и СГС режимах различаются только диаметром анода, но физика разная. В пропорциональном режиме размножение начинается на расстоянии ~1 мкм от поверхности анода, коэффициент газового усиления 10~100, длительность импульса больше 100 нсек и предъявляются жесткие требования к уровню шумового сигнала предусилителя. В СГС-режиме размножение начинается на расстоянии ~50 мкм от поверхности анода и основную роль в образования СГС-сигнала играет образованное электрическое поле ионов. Вероятность образования СГС-сигнала зависит от дрейфовых характеристиках газа, анодного напряжения, от удельной и полной ионизации регистрируемой частицы и геометрического расположения трека в газовом объеме.

Механизм возникновения СГС-сигнала состоит в следующем. После образования лавин начальными электронами первичной ионизации (которые находятся ближе всего к аноду) образуется ионное облако ('головка' стримера на расстоянии нескольких мкм от поверхности анода), которое начинает влиять на газовое усиление последующих электронов, увеличивая его. Происходит лавинообразный процесс и ионное поле препятствует прохождению электронов на анод - это режим ограниченной пропорциональности. Газовое усиление последующих электронов первичной ионизации будет определяться в основном кулоновским полем ионов. Образующиеся электроны будут собираться в 'головке' стримера, нейтрализую ее. Если при нейтрализации 'головки' суммарное кулоновское поле ионов и электронов в 'головке' станет меньше напряженности на поверхности анода, то они уйдут на анод. Если имеются избыточные электроны вне 'головки' стримера, то они будут собираться в 'головке' и уходить из 'головки' на анод - это есть СГС-сигнал. Амплитуда СГС-сигнала больше 0.1 мА, а длительность ~20 нсек, т.е. никаких проблем для обычной ядерной электроники. Режекция протонов отдачи от электронов фона основана на том, что из-за различной удельной ионизации и длин трека, подавляющая часть электронов дадут сигналы в пропорциональной моде усиления, а протоны - в СГС-режиме (различие в газовом усилении 4-5 порядка). В пропорциональном режиме ('тонкий' анод) влияние внешнего гамма-фона ограничивается наложением сигналов со всей длины анодной проволоки. Фоновые электроны образуются из-за фотоэффекта и Компон-эффекта при взаимодействии гамма-квантов с материалом боковой поверхности детектора. В случае СГС-режима ('толстый' анод) нейтроны попадают в детектор через Ве-окно толщиной ~100 мкм и взаимодействием гамма-квантов с входным окном можно пренебречь из-за низкого Z бериллия. Основной фон будет, если гамма-радиация в месте расположения детектора будет пространственно изотропна.

Влияние гамма-фона выразится в протекании квазипостоянного тока с анода на землю через сопротивление 50 Ом, т.е. в смещении нулевой линии. Пример - для счетчика длиной 10 см и при газовом усилении в пропорциональной моде ~100 внешняя радиация 100 рад/ч выразится в протекании тока ~1 мкА.

Возможность увеличения скорости счета реализуется за счет увеличения объема газа в детекторе. Объем газа в детекторе можно повысить за счет увеличения длины анода. В обычных детекторах в пропорциональном режиме есть ограничение на длину анода не только из-за гамма-фона. Увеличение длины анода приводит к увеличению емкости детектора, приведенной ко входу предусилителя, т.е. к увеличению уровня шумов. В СГС-режиме слишком большой сигнал и нет этой проблемы (применяются трубки длиной до 10 м).

В Государственном научном центре Российской Федерации - Институте физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ) газовые детекторы являются одним из основных детекторов при проведении физических экспериментов и накоплен большой опыт в понимании процессов газового усиления.

Источники информации

1. http://duginov-mirea.narod.ru/off-line/.

2. «Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов» (под ред. Ю.А. Егорова). М.: Атомиздат, 1974.

3. Г.А. Акопджанов «Постпропорциональный режим газового усиления в цилиндрических счетчиках» ПТЭ, 3 (2008), 51-60.

1. Способ регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, характеризующийся направлением пучка нейтронов в детектор, содержащий корпус в виде цилиндрической трубки, которую заполняют газом, внутри которой посередине располагают анод, а по контуру трубки катод, подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор, отличающийся тем, что пучок нейтронов пропускают в детектор через входное окно, выполненное из бериллия, а сам детектор выполняют с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности.

2. Способ регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации по п.1, отличающийся тем, что анод подключают через сопротивление не менее 50 Ом на землю.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к детектору нейтронов для детектирования нейтронов в областях с существенным - или -излучением, содержащему чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор (10), обеспечивающий сигнал захвата нейтрона, который сильнее сигнала захвата -излучения, с энергией 3 МэВ, полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор (20) выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственно детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе, детектор нейтронов также содержит устройство сэмплирования сигналов детектора, устройство (35) обработки цифровых сигналов, средство, которое отличает сигналы непосредственно из полупроводникового фотодетектора, индуцированные - или -излучением и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от сигналов света, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, испускаемые кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя различие между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора от времени сбора полного заряда для сигналов, генерируемых прямым детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе, и средство, которое отличает индуцированные нейтронами сигналы от индуцированных -излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя различие между количеством фотонов, сгенерированных нейтроном и -излучением, в интересующей области.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, пунктах таможенного досмотра, публичных местах и т.д.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к устройствам для изучения бета-распада, включая измерения времени жизни нейтрона в бета-распаде.

Изобретение относится к фотоприемным устройствам для черенковских РИЧ-детекторов (RICH-Ring Imaging Cherenkov), регистрирующих кольцевое черенковское излучение, и может быть использовано в экспериментах в области физики элементарных частиц высоких энергий (ионов, каонов и протонов) для определения их зарядов и скоростей в широком диапазоне их импульсов и для их идентификации.

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиометров и дозиметров нейтронного излучения с широким энергетическим диапазоном.

Изобретение относится к области детектирования ядерных излучений, в частности, быстрых нейтронов. .

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма-излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах.

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах.

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей. .

Годоскоп // 2416112
Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения радиоактивных материалов и источников

Изобретение относится к области регистрации и спектрометрии быстрых нейтронов и может быть использовано в области физики реакторов и экспериментальной нейтронной физике

Изобретение относится к сцинтилляционным детекторам для регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников излучений, определения направления на них и их идентификации, для измерения спектра быстрых нейтронов

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей
Наверх