Устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных космических электронов и протонов


 


Владельцы патента RU 2527664:

Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) (RU)

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных заряженных частиц содержит металлический корпус-коллиматор, внутри которого помещены две параллельные кремниевые пластины, выходы которых подключены к схеме антисовпадений, при этом с целью расширения энергетического диапазона регистрируемых гамма-квантов до 10 МэВ между пластинами кремния установлен фильтр из вольфрамового сплава для поглощения вторичных электронов, возникающих при взаимодействии гамма-квантов с металлическим корпусом-коллиматором. Технический результат - расширение энергетического диапазона регистрируемых гамма-квантов до энергий, характерных для излучения ядерной энергетической установки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате.

Известно устройство для контроля величины мощности поглощенной и эквивалентной доз гамма-излучения [1]. Устройство представляет собой моноблок, содержащий узел детекторов, фильтр, узел комбинированный и узел питания. Узел детекторов содержит два кремниевых детектора толщиной 0,3 мм и с площадью чувствительной поверхности 250 мм2 и 5 мм2 соответственно, а также светодиод для проверки функционирования детекторов. Фильтр, надеваемый на узел детекторов, обеспечивает выравнивание чувствительности детекторов по энергиям фотонов. Узел комбинированный предназначен для формирования и усиления сигналов детекторов. Два кремниевых детектора различной площади используются здесь как два детектирующих элемента с различной чувствительностью для расширения динамического диапазона по величине измеряемой мощности дозы до 108. Однако использование такого устройства на космическом аппарате для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки не представляется возможным. Например, плотность потока фоновых космических протонов с энергией выше 25 МэВ за защитой массовой толщиной 0,5 г/см2 достигает значения 1,2×105 частиц/(см2·сек). При вероятности регистрации таких частиц, близкой к 100%, указанная плотность потока создает такое значение фонового сигнала на детекторе, по сравнению с которым значение полезного сигнала от гамма-излучения ядерной энергетической установки будет пренебрежимо мало. Следовательно, величина мощности дозы, вычисляемая устройством, будет состоять только из фоновой компоненты.

Для защиты от фоновых высокоэнергетических заряженных частиц в устройствах детектирования применяется конструкция с использованием составных детекторов. Такие детекторы, как правило, содержат два детектирующих элемента: относительно тонкий, охранный детектор, в котором с вероятностью около 100% регистрируются заряженные частицы (при этом вероятность регистрации гамма-квантов незначительна) и основной детектор, размеры, плотность и среднее значение зарядового числа атомного ядра Z обеспечивают ему требуемую вероятность регистрации гамма-излучения. Основной детектор по возможности окружают со всех сторон охранным детектором, и оба детектора соединяют с устройством отбора антисовпадений: сигналы, обусловленные регистрацией заряженных частиц в обоих детекторах, из интегрального счета устройства исключаются. Регистрируются лишь те сигналы основного детектора, которые не сопровождаются сигналами охранного детектора.

В качестве примера составного детектора, состоящего из двух автономных сцинтилляционных счетчиков, можно привести устройство, выполненное для спутника OSO-H [2]. В состав устройства входит сцинтилляционный счетчик с кристаллом Nal(Tl) объемом около 500 см3, заключенный в кожух, образованный двумя органическими сцинтилляторами (стаканом и крышкой). Каждый из этих сцинтилляторов связан со своим фотоумножителем.

Сходный детектор, содержащий сцинтилляционный счетчик с кристаллом Nal(Tl) объемом около 350 см3 и экранирующий его со всех сторон кожух из сцинтиллирующей пластмассы, связанный с ФЭУ, разработан для экспериментов по программе «Лунар-Орбитер» [3]. На раннем этапе космических исследований в составных детекторах на счетчиках Гейгера-Мюллера основной счетчик окружали кольцом охранных счетчиков, включенных с основным детектором на устройство отбора антисовпадений [4]. Регистрировались лишь те сигналы от основного детектора, которые не сопровождались срабатыванием ни одного из счетчиков охранного кольца.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является дозиметр с возможностью уменьшения влияния внешнего фонового излучения [5]. Данный дозиметр оснащен двумя полупроводниковыми детекторами, помещенными в корпус. Причем детекторы состоят из одного или нескольких полупроводниковых чувствительных элементов, предназначенных для регистрации гамма-излучения, а сами чувствительные элементы образуют две отдельные группы. Вывод информации от каждой группы, расположенной в непосредственной близости друг от друга, осуществляется в виде аналоговых импульсных сигналов, поступающих на вход асинхронной счетной схемы (то есть схемы счета антисовпадений). Данная схема предназначена для счета импульсов, имеющих значение амплитуды выше заданного уровня дискриминации и удовлетворяющих условию антисовпадений. Таким образом, высокоэнергетические фоновые частицы, зарегистрированные одновременно как в первом, так и во втором детекторах, будут исключаться из схемы счета импульсов.

Недостатком данного устройства является сильное падение эффективности регистрации гамма-квантов с энергией более 1 МэВ, что ограничивает его энергетический диапазон. Действительно, применение схемы антисовпадений в двухкристальном детекторе позволяет существенно снизить влияние высокоэнергетических заряженных частиц на работу детектора, однако чувствительность двухкристального детектора к гамма-излучению (по сравнению с однокристальным детектором), резко падает при энергиях гамма-квантов более 1 МэВ. Исследования эффекта снижения чувствительности в двухкристальном детекторе показали, что при увеличении энергии гамма-квантов выше 100 кэВ эффективность их регистрации за счет непосредственного взаимодействия с материалом кремния падает, но при этом возрастает доля квантов, зарегистрированных детектором, за счет вторичных электронов, выбиваемых гамма-квантами из корпуса детектора. При энергии гамма-квантов более 1 МэВ их регистрация осуществляется практически только за счет электронов, выбитых из внутренней оболочки корпуса детектора. Эти электроны имеют достаточно большую энергию, что обеспечивает им возможность одновременной регистрации в обоих кристаллах кремния. Таким образом, было выяснено, что нежелательный эффект снижения чувствительности в двухкристальном детекторе обусловлен исключением схемой антисовпадений из информационного канала детектора не только сигналов, обусловленных регистрацией высокоэнергетичных заряженных частиц, но и сигналов, обусловленных регистрацией гамма-квантов за счет выбитых из корпуса детектора вторичных электронов.

Целью изобретения является расширение энергетического диапазона регистрируемого устройством гамма-излучения в сторону высоких энергий, характерных для излучения ядерной энергетической установки (например, до 10 МэВ).

Предложено устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных заряженных частиц. Конструкция устройства приведена на фиг.1. Устройство содержит металлический корпус-коллиматор (1), два детектора (2) и (3), фильтр (4) и блок электроники. Два детектора представляют собой две кремниевые пластины, расположенные параллельно одна над другой. Между кремниевыми пластинами установлен фильтр, изготовленный из вольфрамового сплава. Оба детектора и фильтр размещены в корпусе-коллиматоре. Блок электроники содержит источник питания детекторов (5), схему антисовпадений (6), а также магистральный усилитель (7) для передачи сигналов с устройства на внешний блок обработки информации. Выход источника питания соединен с входами детекторов.

Выходы детекторов подключены к схеме антисовпадений, которая блокирует сигналы, зарегистрированные одновременно на обоих детекторах. Выход схемы антисовпадений соединен с входом магистрального усилителя. К выходу с магистрального усилителя может быть подключен внешний блок обработки информации. Входное окно корпуса-коллиматора обращено в сторону источника гамма-квантов, которым является ядерная энергетическая установка.

Введение в конструкцию фильтра из вольфрамового сплава, расположенного между кремниевыми пластинами, обеспечивает поглощение в нем вторичных электронов, выбитых высокоэнергетичными гамма-квантами из внутренней оболочки корпуса-коллиматора устройства. Такие электроны имеют достаточно большую энергию для одновременной регистрации в обоих кремниевых детекторах. Фильтр поглощает электроны, зарегистрированные в первом детекторе, и на вход схемы антисовпадений поступает только один сигнал с данного детектора, соответствующий гамма-кванту. Таким образом, введение фильтра позволяет регистрировать гамма-кванты с энергией более 1 МэВ без резкого падения эффективности регистрации. Из приведенного описания можно сделать вывод, что совокупность отличительных признаков устройства является необходимым и достаточным условием для выполнения поставленной задачи.

Конструктивно, детектирующий узел состоит из двух кремниевых пластин толщиной 0,3 мм. Первая пластина площадью 25 мм2 включена по схеме антисовпадений со второй пластиной площадью 100 мм2. При этом было замечено, что с увеличением отношения площади вспомогательного к площади основного детектора увеличивается эффективность работы схемы антисовпадений, то есть более эффективно исключаются из канала регистрации гамма-квантов сигналы, обусловленные космическими электронами и протонами. Ограничением на увеличение площади вспомогательного детектора является увеличение его загрузки, которая растет пропорционально увеличению его площади.

Устройство работает следующим образом.

Поток гамма-квантов в широком диапазоне энергий (от 100 кэВ до 10 МэВ), взаимодействует как с материалом детектора, так и с материалом корпуса-коллиматора. Детекторы, включенные в счетном режиме, преобразовывают энергию частиц в электрические заряды, которые преобразуется, в свою очередь, в импульсы напряжения и подаются на вход схемы антисовпадений. Импульсы, соответствующие высокоэнергетичным фоновым частицам (например, электронам и протонам), возникающие одновременно на выходе двух детекторов, исключаются. Импульсы, соответствующие гамма-квантам и возникающие только на выходе одного детектора (первого к входному окну корпуса-коллиматора), через магистральный усилитель передаются для дальнейшей обработки во внешний блок обработки информации.

Были исследованы различные варианты конструкции с установкой фильтров между кристаллами кремния. Фильтры выбирались из разных материалов и разной толщины. Результаты моделирования показали, что оптимальным фильтром является пластина из вольфрамового сплава толщиной от 0,4 до 0,5 мм.

Корпус-коллиматор устройства может быть выполнен из металлического сплава (например, стали) и дополнительно позволяет уменьшить влияние протонов и электронов за счет толщины стенок. По результатам моделирования было определено, что оптимальная толщина стальных стенок корпуса-коллиматора составляет 30 мм, но для снижения массы устройства толщину можно сократить до 17 мм. Толщина защиты лицевой части корпуса-коллиматора уменьшена до 5 мм для регистрации гамма-излучения ядерной энергетической установки. Угол раствора коллиматора выбирается исходя из расстояния до ядерной энергетической установки и составляет, например, 12°.

Литература

1. Устройство для контроля мощности поглощенной и эквивалентной дозы фотонного излучения: пат. на полезную модель 82347, Рос.Федерация, Ю.Н.Глыбин, В.Г.Гулый, И.С.Карцев и др.; №2008147026/22; заявл. 28.11.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. №11.2 с.

2. Chupp E.L. et al IEEE Trans., NS-16 №1, 309 (1969).

3. Harrington T.M., Marshall, H. IEEE Trans., NS-16, №1, 314 (1969).

4. Авдюшин СИ. и др. В сб. «Исследование космического пространства».- М.: «Наука», 1965, с.511.

5. Radiation monitor: пат.JP3750924 (В2), Япония, Mogi Kenichi, №JP20010245418; заявл. 2001-08-13; опубл. 2006-03-01.

Устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных заряженных частиц, содержащее металлический корпус-коллиматор, внутри которого помещены две параллельные кремниевые пластины, выходы которых подключены к схеме антисовпадений, отличающееся тем, что с целью расширения энергетического диапазона регистрируемых гамма-квантов до 10 МэВ между пластинами кремния установлен фильтр из вольфрамового сплава для поглощения вторичных электронов, возникающих при взаимодействии гамма-квантов с металлическим корпусом-коллиматором.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области измерительной техники, к измерению электрических свойств кристаллов алмаза, предназначенных для изготовления детекторов ионизирующих излучений.

Использование: для регистрации электромагнитного излучения, особенно рентгеновских лучей. Сущность изобретения заключается в том, что детектор рентгеновского излучения и цепь его пикселя позволяют покрывать широкий динамический диапазон с использованием автоматического выбора параметра чувствительности в каждом пикселе, таким образом обеспечивая улучшенное отношение сигнал-шум при всех уровнях воздействия.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е.

Изобретение относится к области измерения излучения физических частиц с помощью полупроводниковых детекторов и может быть использовано при создании многоэлементных детекторов заряженных частиц на основе полупроводниковых кристаллов.

Изобретение относится к детекторным модулям, также относится к детекторным устройствам, кроме того, относится к способам детектирования электромагнитного излучения.

Изобретение относится к медицинским системам визуализации, в частности, находит применение в компьютерной томографии (СТ) и, более конкретно, для реконструкции энергетического спектра.

Изобретение относится к технике регистрации ионизирующего излучения, в частности к детекторам рентгеновского излучения. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования воздействий радиационного излучения, преимущественно нейтронного, в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации или набранную дозу облучения.

Изобретение относится к устройствам формирования изображения для медицинских диагностических устройств с использованием излучения. .

Использование: для проверки и градуировки радиометров и дозиметров при их массовом производстве. Сущность заключается в том, что устройство для градуировки и поверки дозиметров состоит из коромысла, стойки, на которой крепится заслонка, стойка опирается на конец коромысла, уравновешенного грузом, и шарнирно соединена со штангой, которая другим концом также шарнирно соединена с корпусом свинцового контейнера под определенным углом, обеспечивающим плотное примыкание заслонки к поверхности контейнера.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дозиметрам и радиометрам, и может быть использовано в схемах и устройствах измерения интенсивности электромагнитных и ионизирующих излучений и/или индикации опасного уровня радиационного фона окружающей среды, а также накопленных уровней радиации, включая альфа, бета излучение, протоны, нейтроны, гамма и рентген диапазоны.

Изобретение относится к области измерений рентгеновского излучения, в частности относится к устройству индикации для осведомления о дозе для определения данных по индивидуальной дозе штатного сотрудника во время рентгеновского исследования диагностического или интервенционного типа представляющего интерес объекта.

Изобретение относится к техническим средствам, а именно к устройствам измерения дозы низкоэнергетического ионизирующего излучения в условиях открытого космического пространства во время орбитальных полетов летательных аппаратов вокруг Земли.

Изобретение относится к установке для обнаружения и запуска индикации доз излучения. .

Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений и может быть использовано в радиационно-химической технологии и радиационных испытаниях для измерения поглощенных доз ионизирующих излучений.

Изобретение относится к ядерной физике, дозиметрии, биофизике, радиационной медицине, химии, экологии и может быть использовано для детектирования газов в разных отраслях промышленности.

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а именно гамма-излучения с применением газоразрядных счетчиков. .

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом. Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом содержит полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5·10-8 мбар·см-2·с-1, регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку из карбида кремния типа n+6H-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой карбида кремния типа n-6H-SiC, снабженный с противоположной подложке стороны выпрямляющим слоем в виде барьера Шоттки. Технический результат - повышение радиационной стойкости полупроводникового детектора и эффективности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц. 2 ил.
Наверх