Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения

Изобретение относится к области радиационных исследований. Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения содержит металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, и металлические коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов, коллекторы подключены к электроизмерительным приборам, все элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером, причем толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе анализируемого спектра, коллиматор имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее продольного размера, а соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения распределения нейтронов по энергии и чувствительности измерительных трактов. Технический результат – повышение точности определения спектрального распределения нейтронов в полях высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения.

 

Изобретение относится к области радиационных исследований и может быть использовано для измерения спектрального распределения нейтронов в полях высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения при проведении экспериментов на ядерно-физических установках различного типа и назначения.

Известны устройства для регистрации нейтронного излучения, основанные на эффекте переноса заряда, которые именуются как «зарядовые детекторы» нейтронов (З.А. Альбиков, A.M. Веретенников, А.В. Козлов. Детекторы импульсного ионизирующего излучения, Москва, Атомиздат, 1978 г.). Различают два типа зарядовых детекторов. К первому типу относятся детекторы прямой зарядки, выполненные в виде эмиттера и коллектора, разделенных тонким диэлектрическим слоем. Эмиттер изготавливается из материала, в котором при облучении нейтронами образуются радиоактивные изотопы, распадающиеся с выходом заряженных частиц. Заряженные частицы (продукты распада) проходят через диэлектрический слой и собираются коллектором. В электрической цепи протекает ток, который характеризует плотность потока первичного нейтронного излучения. Если период полураспада радиоактивного изотопа много меньше длительности импульса нейтронного излучения, то амплитуда тока коллектора пропорциональна плотности потока нейтронов. Указанная функциональная зависимость используется для определения формы импульса воздействующего нейтронного излучения. Недостатком данного типа детекторов является сравнительно низкое временное разрешение (более сотых долей секунды), что обусловлено периодом полураспада образующихся в эмиттере радиоактивных изотопов. Поэтому на многих ядерно-энергетических установках при длительностях импульса нейтронного излучения менее миллисекунды (например, импульсные установки термоядерного синтеза, импульсные ядерные реакторы и др.) детекторы этого типа используются, в основном, для измерения флюенса нейтронов.

Известен детектор радиоактивных излучений, который основан на переносе заряда вторичных высокоэнергетических электронов (Г.Ф. Иоилев, В.А. Сафонов. Детекторы с диэлектрическим рассеивателем. Приборы и техника эксперимента, т. 14, вып. 5, с. 210, 1969). Детектор состоит из корпуса и сигнального электрода, которые разделены двумя одинаковыми диэлектрическими слоями. Перенос заряда в детекторе осуществляется вторичными высокоэнергетическими электронами, которые образуются за счет комптоновского и фотоэффектов при взаимодействии гамма-излучения с материалами конструкции детектора. Детектор обладает высоким временным разрешением, которое определяется электрической схемой подключения детектора к электроизмерительному прибору.

Известно защищенное авторским свидетельством изобретение – аналог - авторское свидетельство №713293 G01T 3/00, 1978 год «Детектор мононаправленного нейтронного излучения» (М.В. Яковлев, И.С. Терешкин, Г.В. Кулаков, Н.А. Комаров), который основан на измерении тока протонов отдачи, образующихся в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов водорода в облучаемом материале-рассеивателе. Детектор содержит металлический корпус, внутри которого расположена пластина-рассеиватель из водородосодержащего материала, например полиэтилена. За рассеивателем расположены металлическая пластина-коллектор и электроизолирующая пластина из материала, не содержащего водород. Коллектор подключен к электроизмерительному прибору. Толщина полиэтиленовой пластины-рассеивателя выбирается много меньше свободного пробега первичных нейтронов, но значительно больше пробега вторичных протонов отдачи в данном материале. Корпус и коллектор выполнены из низкоатомного металла алюминия, чтобы в смешанных полях гамма-нейтронного излучения внутри детектора не нарушались условия гамма-электронного равновесия. Коллектор имеет толщину, достаточную для поглощения протонов отдачи, движущихся со стороны пластины-рассеивателя.

При облучении детектора нейтронами со стороны пластины-рассеивателя сигнал коллектора обусловлен сбором заряда протонов отдачи q1, а также токами смещения от объемных зарядов q2, q3, которые образуются в объеме рассеивателя. Вблизи границы раздела с металлическим корпусом образуется область отрицательного объемного заряда q2 за счет оттока из этой области протонов отдачи. Положительный объемный заряд q3 образуется в пластине-рассеивателе за счет ослабления потока нейтронов. Заряд q3 имеет сравнительно малую величину, поэтому отрицательный объемный заряд приблизительно равен заряду протонов отдачи, инжектируемых в коллектор. Однако в силу выбранной геометрии детектора емкостная связь отрицательного заряда с коллектором значительно меньше, чем с корпусом, поэтому вклад отрицательного заряда в результирующий положительный сигнал детектора оказывается незначительным.

При облучении нейтронами с противоположной стороны сигнал детектора определяется отрицательным объемным зарядом, который находится вблизи коллектора в приграничной области пластины-рассеивателя. Временное разрешение детектора определяется его собственной емкостью и параметрами регистрирующего тракта и может быть доведено до единиц наносекунд. При энергии гамма-квантов ~1,25 МэВ чувствительность детектора-прототипа к действию гамма-излучения составляет ~5%. (И.С. Терешкин, М.В. Яковлев. Детектор высокоинтенсивного нейтронного излучения. Сборник научных трудов ФГУП ЦНИИмаш «Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики» под редакцией академика РАН Н.А. Анфимова, ФГУП ЦНИИмаш, с. 122, 2003 г. Недостатком изобретения является невозможность его использования для определения энергии воздействующих нейтронов.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2445649, заявка 2010135091/28 МПК G01J 3/00, 2010 год «Нейтронный спектрометр на базе протонного телескопа» (Богдзель А.А., Пантелеев Ц.Ц., Милков В.М.). Сущность изобретения заключается в том, что измерения энергетических распределений потоков нейтронов осуществляются путем измерений кинетической энергии упруго рассеянных на малые углы протонов отдачи в результате (n, p) взаимодействия в газовой водородосодержащей среде. Для достижения необходимой коллимации используется принцип снятия сигналов с анодной нити и с двух дополнительных электродов (трубок) с последующей записью многомерного амплитудного спектра в компьютере. Энергия нейтронов определяется после сортировки многомерной информации. В качестве протонной мишени используется слой газа в первой трубке, толщина и положение которого произвольно выбирается программой обработки; вторая трубка служит в качестве коллиматора протонов отдачи, а выбор минимального угла коллиматора осуществляется во время обработки информации в компьютере. Изобретение относится к области регистрации и спектрометрии быстрых нейтронов и может быть использовано в области физики реакторов и экспериментальной нейтронной физике. Технический результат - повышение точности определения распределения по энергии быстрых нейтронов. Недостатком изобретения является невозможность его использования для определения спектрального распределения нейтронов в полях высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения.

Целью предлагаемого изобретения является определение спектрального распределения нейтронов в полях высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения.

Указанная цель достигается в заявляемом спектрометре высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения. Спектрометр содержит металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, и выполненные из металла коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов. Коллекторы подключены к электроизмерительным приборам. Все элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером. Толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе анализируемого спектра. Коллиматор спектрометра имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее их продольного размера. Соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения распределения нейтронов по энергии и чувствительности измерительных трактов.

Реализуемость заявляемого спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения подтверждается следующим образом. Толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе анализируемого спектра, что исключает погрешности измерений за счет самопоглощения протонов отдачи внутри мишени. В «лобовом» столкновении нейтронов с ядрами атомов водорода образуются протоны отдачи с энергией, равной энергии первичных нейтронов. Применение «узкого» коллиматора позволяет выделить протоны отдачи, энергетический спектр которых практически совпадает с измеряемым спектром нейтронного излучения. Выделение интересующей энергетической группы частиц выполняется фильтрами-поглотителями протонов отдачи путем подбора их толщины с использованием хорошо известных соотношений «пробег-энергия». Недостатком технологии «узкого» коллиматора является ограничение тока протонов отдачи.

Сущность заявляемого изобретения составляет предложение использовать сотовый коллиматор для увеличения интенсивности пучка протонов отдачи в заданном диапазоне энергий. Увеличение поперечного размера сот коллиматора увеличивает ток протонов отдачи, но одновременно «размывает» измеряемый спектр. Точно так же увеличение разности толщин фильтров-поглотителей приводит к росту амплитуды регистрируемого сигнала от протонов отдачи в пределах измеряемой энергетической группы, но одновременно расширяет контролируемый диапазон энергий и тем самым снижает точность измерений нейтронного спектра. При подготовке и проведении экспериментов путем подбора соотношения продольного и поперечного размеров сот коллиматора, а также вариацией толщин фильтров-поглотителей протонов отдачи обеспечиваются заданные условия по точности измерения распределения нейтронов по энергии с учетом чувствительности измерительных трактов.

Заявляемый спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения работоспособен в полях смешанного гамма-нейтронного излучения. Для исключения сигналов, обусловленных действием гамма-излучения, в непосредственной близости от спектрометра располагают аналогичный ему прибор, в котором отсутствует мишень из материала, содержащего водород. Сигналы от соответствующих коллекторов спектрометра и дублирующего прибора подключают через схему вычитания к электроизмерительным приборам. При этом наводки, обусловленные сопутствующим гамма-излучением, а также вторичными частицами, образующимися в результате неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов конструкционных материалов спектрометра, взаимно компенсируются, и регистрируется только исследуемые протоны отдачи. Вклад водородосодержащей мишени в силу ее пренебрежимо малой массовой толщины практически не искажает картину эксперимента.

Таким образом, техническая возможность реализации заявляемого спектрометра высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения не вызывает сомнений.

Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения, содержащий металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, и металлические коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов, коллекторы подключены к электроизмерительным приборам, все элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером, причем толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе анализируемого спектра, коллиматор имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее продольного размера, а соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения распределения нейтронов по энергии и чувствительности измерительных трактов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области технической физики, а точнее - к области регистрации нейтронов. Способ определения потока быстрых нейтронов содержит этапы, на которых в зону облучения помещают детектор, нейтроночувствительный элемент в котором содержит ядра 237Np, и измеряют поток быстрых нейтронов энергией выше пороговой энергии деления ядер 237Np, при этом в зону облучения дополнительно помещают детектор, нейтроночувствительный элемент в котором содержит ядра 238U, измеряют поток быстрых нейтронов энергией выше пороговой энергии деления ядер 238U, а поток быстрых нейтронов пороговой энергией ниже пороговой энергии деления ядер 237Np определяют линейной комбинацией потока нейтронов энергией выше пороговой энергии деления ядер 237Np и потока быстрых нейтронов энергией выше пороговой энергии деления ядер 238U.

Изобретение относится к устройствам определения нейтронных характеристик полей исследовательских ядерных установок (ИЯУ) в реальном масштабе времени. Устройство для определения нейтронных характеристик полей исследовательских ядерных установок содержит измерительные каналы, кремниевые транзисторы, генератор эталонного тока, согласующее устройство, генератор опорного напряжения, генератор приращения эмиттерного тока, аналоговый демультиплексор, аналоговый ключ, блок управления, компаратор пределов, блок нагрузок, интегратор, преобразователь напряжения в ток, измерительный усилитель, при этом в состав устройства введен многоразрядный аналогово-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу измерительного усилителя, а выходы - к блоку управления, выполненному на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением, включающим выполнение функций автоматического переключения пределов измерения, автоматического выбора канала измерения, а также вычислений абсолютных значений флюенса нейтронов на каждый момент времени и хранения результатов, блок управления соединен с универсальным интерфейсом, обеспечивающим связь с вычислительным устройством верхнего уровня.

Группа изобретений относится к области обнаружения медленных нейтронов. Конвертер медленных нейтронов содержит подложку, содержащую множество каналов, простирающихся вдоль первого направления, и изолирующие стенки между упомянутым множеством каналов; и слой бора, покрывающий по меньшей мере подвергаемую воздействию поверхность упомянутого множества каналов; причем упомянутое множество каналов представляют собой сквозные каналы, причем слой бора содержит natB, причем слой бора имеет массовую толщину в диапазоне от 0,232 до 0,694 мг/см2.

Изобретение относится к нейтронному детектору, включающему: корпус, ограничивающий внутренний объем; металлическую часть, служащую в качестве катода; центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую в качестве анода; покрытие из бора на катодной части и электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, накапливаемого центральной конструкцией.

Изобретение относится к устройствам контроля ядерных реакторов, а именно к ионизационным камерам деления (ИКД) с электродами, на поверхности которых нанесен слой материала, делящегося при взаимодействии с нейтронами.

Группа изобретений относится к материалам, используемым в сцинтилляционной технике. Сущность группы изобретений заключается в том, что сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения представляет собой кристаллический твердый раствор с общей эмпирической формулой Li(Y1-x Lux)F4 при х=0,01-0,8, образующийся в бинарной системе LiYF4 - LiLuF4.

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при измерении интенсивных потоков нейтронов. Радиохимический детектор плотности потока быстрых нейтронов включает ампулу с порошкообразным активным веществом, помещаемую в поток быстрых нейтронов, газовую систему, заполненную газом-носителем, и проточный счетчик, подключенный к системе регистрации и обработки информации.

Изобретение относится к борным покрытиям для детектирования нейтронов и особенно относится к нанесению борных покрытий для детектирования нейтронов с помощью электростатического напыления.

Изобретение относится к области космического приборостроения и может быть использовано для сбора данных о параметрах движения космических объектов - частиц космического мусора и микрометеороидов.

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей. Способ измерения профиля нейтронного пучка (пучков) в плоскости, перпендикулярной выделенному его (их) направлению, заключается в том, что пучок (пучки) быстрых нейтронов направляют на детектирующую плоскость профилометра, перпендикулярно расположенную к его (их) направлению (направлениям), поверхность которой представляет собой совокупность параллельно расположенных изолированных стрипов, сигналы с каждого из стрипов, появившиеся в результате взаимодействия нейтрона с веществом стрипа, поступают на блок регистрирующей электроники, производящей прием и анализ зарегистрированных событий с использованием программного обеспечения для определения профиля нейтронного пучка (пучков), при этом в качестве детектирующей плоскости профилометра используют двусторонний стриповый кремниевый детектор, одна сторона которого представляет набор X-стрипов, а вторая - набор Y-стрипов, перпендикулярных к Х-стрипам, при этом регистрируют заряженные частицы, образующиеся в каждом конкретном стрипе в результате протекания реакций с эмиссией протонов и альфа-частиц при захвате нейтронов на ядрах кремния 28Si(n,p)28Al, 28Si(n,α)25Mg, при этом путем снятия электрических сигналов с соответствующих X- и Y-стрипов определяют координаты X и Y точек взаимодействия нейтронов с веществом данного стрипа профилометра, при этом на основании однозначной связи номеров одновременно сработавших X- и Y-стрипов, включенных на совпадения, при этом после набора событий по каждому из X- и Y-стрипов профилометра автоматически производится временной и амплитудный анализ зарегистрированных событий.

Изобретение относится к композиционному материалу нейтронного сцинтиллятора. Материал включает нейтронный сцинтиллятор формулы Li6Mg1-xCexBr8, где 0<х<1, и связующее, имеющее показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора.
Изобретение относится к области радиационных измерений и может быть использовано для определения направления на точечный источник высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения в ядерно-физических экспериментах.

Изобретение относится к сцинтиллятору для использования в радиационном детекторе. Сцинтиллятор для высокотемпературных условий содержит кристалл типа кольквириита формулы LiM1M2X6, где M1 выбирают из щелочноземельных элементов Mg, Ca, Sr и Ba; M2 выбирают из Al, Ga и Sc; X - галоген.

Изобретение относится к области радиационных измерений и может быть использовано для регистрации плотности потока мононаправленного нейтронного излучения при работе на ядерно-физических установках различного типа и назначения.

Изобретение относится к области радиационных измерений и может быть использовано для регистрации плотности потока мононаправленного нейтронного излучения при работе на ядерно-физических установках различного типа и назначения.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. Сцинтилляционный детектор содержит сборку сцинтиллирующих волокон для регистрации гамма-излучения, тепловых и быстрых нейтронов в форме кольца, а также два фотоприемника, расположенные на противоположных торцах сборки сцинтиллирующих волокон в оптическом контакте с ними, при этом сборка сцинтиллирующих волокон выполнена в виде одного или нескольких лежащих друг на друге кольцевых слоев с общей осью, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, расположены по окружности, сцинтиллирующие волокна для регистрации разных видов излучений располагаются в разных кольцевых слоях, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены оптически с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов. Цилиндрический позиционно-чувствительный детектор содержит множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотоприемником, при этом сцинтиллятор состоит из одного или нескольких цилиндрических наборов, составленных из сцинтиллирующих волокон, обеспечивающих регистрацию нейтронного или гамма-излучения, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон.

Изобретение относится к устройствам для измерения нейтронного излучения с помощью сцинтилляционных детекторов. Детектор нейтронов содержит фотоприемник и пластины из прозрачного водородосодержащего пластика, которые чередуются со слоями материала, содержащего сцинтиллятор и конвертор тепловых нейтронов, при этом дополнительно содержит спектросмещающее волокно, намотанное в один слой на торцевую поверхность пластин, концы которого оптически соединены с фотоприемником.

Изобретение относится к устройствам для измерения нейтронного излучения с помощью сцинтилляционных детекторов. Детектор нейтронов содержит корпус, в котором размещены композиционный сцинтиллятор, спектросмещающие волокна, спектр поглощения которых находится в области спектра высвечивания композиционного сцинтиллятора и, по крайней мере, один фотоприемник, с которым оптически соединены торцы спектросмещающих волокон, при этом композиционный сцинтиллятор выполнен в виде отдельных гранул, которые расположены, по крайней мере, в один слой вокруг спектросмещающих волокон.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений, в частности нейтронов. Сцинтилляционное стекло получают из композиции SiO2, Li2CO3, MgO, Al2O3, AlF3, CeO2, а для подавления окисления ионов церия в стекло вводят добавку металлического кремния (Si) в количестве 0,001-10 мас.%.

Изобретение относится к области радиационных исследований. Спектрометр высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения содержит металлический корпус, внутри которого последовательно расположены мишень из материала, содержащего водород, и металлические коллиматор, плоские различной толщины фильтры-поглотители протонов отдачи и коллекторы заряда, сопряженные и равной площади с фильтрами-поглотителями протонов, коллекторы подключены к электроизмерительным приборам, все элементы спектрометра изготовлены из материалов с близким атомным номером, причем толщина мишени из материала, содержащего водород, выбирается менее пробега протонов отдачи с энергией, равной минимальному значению энергии нейтронов в составе анализируемого спектра, коллиматор имеет сотовую структуру с поперечным размером сот менее продольного размера, а соотношение продольного и поперечного размеров сот и толщина фильтров-поглотителей протонов определяются из условий по точности измерения распределения нейтронов по энергии и чувствительности измерительных трактов. Технический результат – повышение точности определения спектрального распределения нейтронов в полях высокоинтенсивного импульсного нейтронного излучения.

Наверх