Устройство обнаружения медленных нейтронов
Изобретение относится к обнаружению медленных нейтронов. Устройство обнаружения медленного нейтрона содержит первый преобразователь медленных нейтронов и второй преобразователь медленных нейтронов, выполненные с возможностью взаимодействия с падающими нейтронами и генерирования электронов, устройство умножения и считывания электронов, расположенное между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и выполненное с возможностью умножения и считывания электронов, причем устройство умножения и считывания электронов содержит первый катодный проводной набор, второй катодный проводной набор и проводной набор считывающего электрода. Технический результат - повышение эффективности обнаружения медленных нейтронов. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее раскрытие относится к обнаружению медленных нейтронов, и более конкретно к устройству обнаружения медленных нейтронов для того, чтобы улучшить эффективность обнаружения медленных нейтронов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В условиях постепенно растущего применения обнаружения медленных нейтронов и технологии формирования изображений в областях национальной безопасности, контроля материалов, измерения источников медленных нейтронов и т.п. постепенно растут требования к детекторам медленных нейтронов. Однако широко используемый газообразный 3He неспособен удовлетворить растущий спрос на его использование. Различные типы новых детекторов медленных нейтронов были разработаны для замены 3He, включая газовый детектор медленных нейтронов, сцинтилляционный детектор медленных нейтронов, полупроводниковый детектор медленных нейтронов и т.д.
[0003] Для детектора медленных нейтронов одной из важных структур является преобразователь медленных нейтронов. Сам по себе медленный нейтрон не имеет заряда, и за исключением некоторых чувствительных к медленным нейтронам нуклидов, таких как 6Li, 10B, Gd, медленные нейтроны и другие вещества имеют относительно малые сечения реакции, и интуитивный эффект состоит таким образом в том, что медленный нейтрон трудно обнаружить напрямую. Преобразователь медленных нейтронов содержит большое количество чувствительных к медленным нейтронам нуклидов, и медленные нейтроны могут быть преобразованы в заряженные частицы с помощью ядерных реакций. Детектор может более удобным образом измерять информацию об энергии и положении этих заряженных частиц, и может в свою очередь получать релевантную физическую информацию о падающих медленных нейтронах.
[0004] В конструктивном решении газового детектора медленных нейтронов могут использоваться различные типы преобразователей медленных нейтронов и детекторов медленных нейтронов, таких как газовый детектор медленных нейтронов, основанный на массиве цилиндрических пропорциональных детекторов, газовый детектор медленных нейтронов, основанный на плоскопараллельной укладке ионизационной камеры, в зависимости от различных используемых основных детекторов.
[0005] В газовом детекторе медленных нейтронов, основанном на массиве цилиндрических пропорциональных детекторов, основным блоком обнаружения медленных нейтронов является цилиндрический пропорциональный детектор, и каждый блок имеет независимый анодный провод и систему сбора и обработки сигналов, обычно, например, в виде массива тонкотрубчатых детекторов медленных нейтронов. Однако, область чувствительности детектора к медленным нейтронам и чувствительность детектирования медленных нейтронов примерно пропорциональны квадрату числа цилиндрических пропорциональных детекторов. Это означает большой объем работы по установке и обслуживанию большого количества анодных проводов во всей системе, а разность в чувствительности детектирования различных блоков обнаружения медленных нейтронов также будет оказывать негативное влияние на общую эффективность системы.
[0006] В газовом детекторе медленных нейтронов, основанном на плоскопараллельной укладке ионизационной камеры, основным блоком обнаружения медленных нейтронов является плоскопараллельная ионизационная камера, и каждая ионизационная камера имеет независимую двумерную систему считывания сигналов, обычно, например, детектор медленных нейтронов Gd-GEM. Однако чувствительность детектирования медленных нейтронов одного слоя плоскопараллельной ионизационной камеры является относительно низкой, и некоторые способы, такие как мультиукладка или скользящее падение медленных нейтронов, необходимы для того, чтобы улучшить общую эффективность обнаружения медленных нейтронов. Однако это создает большую нагрузку на процесс обработки считываемых сигналов, и является неподходящим для достижения обнаружения медленных нейтронов на большой площади.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Принимая во внимание одну или более проблем предшествующего уровня техники, предлагается устройство обнаружения медленных нейтронов.
[0008] В соответствии с одним аспектом настоящего раскрытия предлагается устройство обнаружения медленных нейтронов, содержащее: первый преобразователь медленных нейтронов и второй преобразователь медленных нейтронов, выполненный с возможностью взаимодействия с падающими нейтронами и генерирования электронов; а также устройство умножения и считывания электронов, расположенное между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и выполненное с возможностью умножения и считывания электронов.
[0009] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство умножения и считывания электронов содержит: первый катодный проводной набор, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположенный между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и около конца первого преобразователя медленных нейтронов; второй катодный проводной набор, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположенный между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и около конца второго преобразователя медленных нейтронов; а также проводной набор считывающего электрода, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, работающих в качестве анода и расположенных между первым катодным проводным набором и вторым катодным проводным набором, причем множество электродных проводов проводного набора считывающего электрода являются по существу перпендикулярными к направлению, вдоль которого простирается множество электродных проводов первого катодного проводного набора, и к направлению, вдоль которого простирается множество электродных проводов второго катодного проводного набора.
[0010] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство обнаружения медленных нейтронов дополнительно содержит: первую катодную пластину, расположенную у другого конца первого преобразователя медленных нейтронов относительно первого катодного проводного набора; а также вторую катодную пластину, расположенную у другого конца второго преобразователя медленных нейтронов относительно второго катодного проводного набора.
[0011] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство обнаружения медленных нейтронов дополнительно содержит: первый проводной набор защиты от электрического поля, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположенный между первым катодным проводным набором и первым преобразователем медленных нейтронов; и второй проводной набор защиты от электрического поля, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположенный между вторым катодным проводным набором и вторым нейтронным преобразователем.
[0012] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления зазор между проводным набором считывающего электрода и каждым проводом из первого катодного проводного набора составляет 2-3 мм, зазор между проводным набором считывания и вторым катодным проводным набором составляет 2-3 мм, и зазор между множеством электродных проводов электрода считывания составляет 3-5 мм.
[0013] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления каждый из первого преобразователя медленных нейтронов и второго преобразователя медленных нейтронов содержит: подложку, включающую в себя множество сквозных отверстий, проходящих в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой располагается множество электродных проводов электрода считывания, и изолирующие стенки между множеством сквозных отверстий; а также слой бора, покрывающий по меньшей мере открытую поверхность множества сквозных отверстий.
[0014] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления объем каждого из первого преобразователя медленных нейтронов и второго преобразователя медленных нейтронов находится в диапазоне 1-20000 см3, а диаметр сквозного отверстия находится в диапазоне 1-10 мм.
[0015] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления каждый из первого преобразователя медленных нейтронов и второго преобразователя медленных нейтронов представляет собой кубоидный покрытый бором преобразователь медленных нейтронов с площадью основания 10 см x 10 см и высотой 5 см, а диаметр сквозного отверстия составляет 3,6 мм.
[0016] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления слой бора имеет толщину 1-3 мкм, предпочтительно 1,6 мкм.
[0017] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство обнаружения медленных нейтронов дополнительно содержит экранирующую поле клетку с цилиндрической структурой, причем экранирующая поле клетка окружает первый преобразователь медленных нейтронов и второй преобразователь медленных нейтронов.
[0018] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления экранирующая поле клетка содержит множество коаксиальных медных колец для того, чтобы прикладывать соответствующие напряжения градиента.
[0019] За счет расположения цепи считывания между двумя преобразователями медленных нейтронов расстояние дрейфа электронов уменьшается наполовину без изменения размера детектора, и средняя вероятность превышения сигналом порога увеличивается.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0020] Для того, чтобы лучше понять настоящее изобретение, варианты его осуществления будут описаны в соответствии с сопроводительными чертежами, в которых
[0021] Фиг. 1 показывает вид в перспективе преобразователя медленных нейтронов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0022] Фиг. 2 показывает поперечное сечение преобразователя медленных нейтронов, изображенного на Фиг. 1;
[0023] Фиг. 3 показывает соотношение между чувствительностью детектирования медленных нейтронов и толщиной слоя бора на преобразователе медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением;
[0024] Фиг. 4 показывает блок-схему устройства обнаружения медленных нейтронов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0025] Фиг. 5 показывает схему структуры проводного набора считывающего электрода и катодных проводных наборов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0026] Фиг. 6 показывает схематическую диаграмму процесса работы устройства обнаружения медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением; и
[0027] Фиг. 7 показывает график увеличения вероятности превышения сигналом порога с помощью устройства обнаружения медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.
[0028] Не все цепи и структуры вариантов осуществления показаны на чертежах. Во всех чертежах одинаковые ссылочные цифры относятся к одинаковым или подобным компонентам или особенностям.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0029] Далее будут подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, и при этом следует отметить, что описанные в настоящем документе варианты осуществления предназначены лишь для иллюстративных целей, а не для ограничения настоящего изобретения. В последующем описании формулируются многочисленные конкретные детали для того, чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение не обязательно должно быть осуществлено с этими конкретными деталями. В других случаях известные цепи, материалы, или способы не описываются конкретно во избежание затруднений с пониманием настоящего изобретения.
[0030] Во всем описании ссылка на «один вариант осуществления», «вариант осуществления», «один пример» или «пример» означает, что некоторая конкретная особенность, структура или характеристика, описанная в связи с этим вариантом осуществления или примером, включена по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Следовательно, фраза «в одном варианте осуществления», «в некотором варианте осуществления», «один пример» или «пример» в тексте описания не обязательно относится к тому же самому варианту осуществления или примеру. В дополнение к этому, конкретные особенности, структуры или характеристики могут комбинироваться в одном или более вариантах осуществления или примерах в любой подходящей комбинации и/или подкомбинации. В дополнение к этому, специалисту в данной области техники будет понятно, что чертежи приведены в настоящем документе только для иллюстративных целей, и что эти чертежи не обязательно вычерчены в масштабе. Используемый в настоящем документе термин «и/или» включает в себя любые и все комбинации одного или более перечисленных объектов.
[0031] Термин «медленный нейтрон», упоминаемый ниже, относится к нейтронам, имеющим энергию ниже некоторого значения. Выбор такого значения зависит от конкретных прикладных сценариев. Например, в приложениях нейтронной физики и ядерной технологии нейтроны с энергией меньше чем 1 кэВ обычно упоминаются как медленные нейтроны.
[0032] Для решения проблем устройств обнаружения медленных нейтронов предшествующего уровня техники варианты осуществления настоящего изобретения предлагают устройство обнаружения медленных нейтронов для улучшения вероятности превышения сигналом порога. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения устройство обнаружения медленных нейтронов содержит два преобразователя медленных нейтронов, а также проводной набор считывающего электрода и катодные проводные наборы, расположенные между двумя преобразователями медленных нейтронов. За счет расположения цепи считывания, такой как проводной набор считывающего электрода, между двумя преобразователями медленных нейтронов расстояние дрейфа электронов уменьшается наполовину без изменения размера устройства обнаружения, и средняя вероятность превышения сигналом порога увеличивается.
[0033] Фиг. 1 показывает вид в перспективе преобразователя медленных нейтронов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 показывает поперечное сечение преобразователя медленных нейтронов, изображенного на Фиг. 1. Следует понимать, что структура, схематично показанная на Фиг. 1 и 2, является всего лишь примером преобразователя медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением, и настоящее изобретение не ограничивается этим.
[0034] Как показано на Фиг. 1 и 2, преобразователь 100 медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением может содержать подложку 120. Подложка 120 может содержать множество отверстий 124, проходящих через подложку в первом направлении, и изолирующие стенки 122, расположенные между множеством отверстий.
[0035] Каждое отверстие 124 может иметь круглое или многоугольное поперечное сечение. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления каждое отверстие имеет правильное многоугольное поперечное сечение. В соответствии с другими вариантами осуществления каждое отверстие имеет правильное шестиугольное сечение, и множество отверстий равномерно располагаются так, чтобы преобразователь медленных нейтронов имел сотовую структуру, как показано на Фиг. 1 и 2, но настоящее изобретение не ограничивается этим. Отверстие 124 может быть заполнено ионизационным рабочим газом, что будет подробно описано позже.
[0036] Как показано на Фиг. 2, преобразователь 100 медленных нейтронов может дополнительно содержать слой 126 бора, который покрывает по меньшей мере открытую поверхность множества отверстий 124. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления слой 126 бора может быть сформирован путем нанесения покрытия методом погружения или с помощью других подходящих подходов.
[0037] Отверстие 124 может иметь гладкую открытую поверхность, так, чтобы слой бора, покрывающий подложку 120, имел более хорошую однородность и шероховатость поверхности (например, гладкость меньше чем 0,1 мкм).
[0038] В соответствии с настоящим изобретением в качестве материала для преобразования медленных нейтронов может использоваться natB (естественный Бор) или 10B (очищенный Бор).
[0039] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления форма подложки 120 может представлять собой куб или кубоид, но настоящее изобретение не ограничивается этим.
[0040] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изолирующая стенка 122 может иметь толщину в диапазоне от 1 мкм до 50 мкм. Например, изолирующая стенка может иметь толщину в диапазоне от 5 мкм до 20 мкм. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изолирующая стенка 122 содержит бумагу из арамида.
[0041] Фиг. 3 представляет собой график, показывающий соотношение между чувствительностью детектирования медленных нейтронов и массовой толщиной слоя бора преобразователя медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.
[0042] Как показано на Фиг. 3, если в качестве материала для преобразования медленных нейтронов используется natB, и массовая толщина слоя бора поддерживается в диапазоне 0,232-0,694 мг/см2 (что соответствует толщине 1-3 мкм, предпочтительно 1,6 мкм при плотности 2,35 г/см3), может быть достигнута высокая чувствительность детектирования медленных нейтронов.
[0043] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления массовая толщина слоя бора может составлять 0,232-0,694 мг/см2. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления массовая толщина слоя бора может составлять 0,3-0,4 мг/см2. В соответствии с другими вариантами осуществления массовая толщина слоя бора может составлять 0,37 мг/см2.
[0044] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что слишком тонкий слой бора может привести к уменьшению вероятности его взаимодействия с медленными нейтронами, в то время как слишком толстый слой бора будет вызывать образование тяжелых заряженных частиц, которым будет трудно попасть в сотовые отверстия из покрытия преобразователя, причем и то, и другое будут значительно уменьшать общую эффективность обнаружения медленных нейтронов.
[0045] В дополнение к этому, апертура преобразователя медленных нейтронов может быть выбрана в соответствии с различными прикладными сценариями. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления отверстие 124 может иметь диаметр вписанной окружности в диапазоне от 0,1 мм до 20 мм. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления отверстие может иметь диаметр вписанной окружности в диапазоне от 3 мм до 10 мм. Использующийся в настоящей заявке термин «вписанная окружность» относится к окружности, которая может быть касательной к большинству сторон отверстия.
[0046] В дополнение к этому, высота преобразователя медленных нейтронов может быть выбрана в соответствии с различными прикладными сценариями для того, чтобы получить как более высокую чувствительность детектирования медленных нейтронов, так и лучший эффект образования электронов. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления подложка 120 может иметь высоту в диапазоне от 1 см до 30 см. Например, подложка 120 может иметь высоту в диапазоне от 4 см до 6 см.
[0047] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления объем каждого из двух преобразователей медленных нейтронов находится в диапазоне 1-20000 см3, а диаметр отверстия 124 находится в диапазоне 1-10 мм. В дополнение к этому, предпочтительно, чтобы преобразователь медленных нейтронов мог быть кубоидным покрытым бором преобразователем медленных нейтронов с площадью основания 10 см x 10 см и высотой 5 см, и чтобы диаметр сквозного отверстия 124 составлял 3,6 мм.
[0048] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления сотовая структура может быть сформирована путем равномерного осаждения наноразмерного порошка бора на подложку, сделанную из арамидной бумаги, с последующей ее резкой и формированием преобразователя медленных нейтронов, у которого апертура, длина и толщина слоя бора удовлетворяют требованиям конкретных прикладных сценариев.
[0049] Фиг. 4 показывает блок-схему устройства обнаружения медленных нейтронов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0050] Как показано на Фиг. 4, устройство обнаружения медленных нейтронов может содержать первый преобразователь 520 медленных нейтронов, второй преобразователь 530 медленных нейтронов, а также проводные наборы защиты от электрического поля и катодные и анодные сигнальные проводные наборы 540. Первый преобразователь 520 медленных нейтронов и второй преобразователь 530 медленных нейтронов могут быть преобразователями медленных нейтронов, описанными ранее со ссылками на Фиг. 1, 2 и 3. Устройство обнаружения медленных нейтронов может дополнительно содержать верхнюю катодную пластину 510, расположенную около одного конца первого преобразователя 520 медленных нейтронов (верхнего конца первого преобразователя 520 медленных нейтронов на Фиг. 4), а также нижнюю катодную пластину 560, расположенную около одного конца второго преобразователя 530 медленных нейтронов (нижнего конца второго преобразователя 530 медленных нейтронов на Фиг. 4). Электрическое поле формируется катодной пластиной 510 и анодным проводным набором проводных наборов защиты от электрического поля, а также катодными и анодными сигнальными проводными наборами 540 для обеспечения дрейфа электронов к анодному проводному набору. Аналогичным образом электрическое поле формируется катодной пластиной 560 и анодным проводным набором проводных наборов защиты от электрического поля, а также катодными и анодными сигнальными проводными наборами 540 для обеспечения дрейфа электронов к анодному проводному набору, как будет подробно описано позже.
[0051] Как было описано ранее, каждый из первого преобразователя 520 медленных нейтронов и второго преобразователя 530 медленных нейтронов может содержать подложку 120 и слой 126 бора. Множество отверстий 124 подложки 120 заполнено ионизационным рабочим газом для образования электронов. Для того, чтобы поперечная диффузия электронов в процессе дрейфа была как можно меньше, может использоваться рабочий газ, имеющий меньший коэффициент поперечного рассеяния электронов. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления ионизационный рабочий газ может представлять собой смешанный газ из 95% аргона и 5% диоксида углерода, но настоящее изобретение не ограничивается этим. Любой подходящий газ может использоваться в качестве рабочего газа.
[0052] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, как показано на Фиг. 4, устройство обнаружения медленных нейтронов может дополнительно содержать экранирующую поле клетку 550, имеющую цилиндрическую структуру. Экранирующая поле клетка 550 окружает два преобразователя 520 и 530 медленных нейтронов. Экранирующая поле клетка 550 может содержать множество коаксиальных медных колец для того, чтобы прикладывать соответствующие напряжения градиента. Экранирующая поле клетка 550 может функционировать в качестве изолирующего экрана, и может ограничивать эквипотенциальные поверхности ее внутренней газовой среды так, чтобы они были параллельными в большинстве областей, то есть формировать приблизительно однородное электрическое поле.
[0053] В дополнение к этому, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство обнаружения медленных нейтронов может дополнительно содержать предохранительное кольцо (не показано). Предохранительное кольцо может быть расположено на обоих концах экранирующей поле клетки для обеспечения потенциалов но обоих концах экранирующей поле клетки, помогая достижению однородности электрического поля.
[0054] Фиг. 5 показывает одну схему структуры проводного набора считывающего электрода и катодных проводных наборов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 5, для того, чтобы построить дрейфовый электрод напротив катодной пластины, через который электроны могут проходить без затруднений, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения используют набор металлических проводов для формирования проводных наборов 541 и 545 защиты от электрического поля с тем, чтобы изолировать дрейфовое электрическое поле и электрическое поле умножения без блокировки движения электронов. Как показано на Фиг. 5, учитывая тот факт, что электроны могут попадать на устройства 542, 543 и 544 умножения и считывания как с верхней стороны, так и с нижней стороны, а также принимая во внимание удобство использования в области обнаружения на большой площади, варианты осуществления настоящего изобретения используют методику двумерных многопроводных электродов для построения электронного умножителя, то есть используются три набора проводов для того, чтобы построить плоскость, в которой располагаются первый и второй катодные проводные наборы 542 и 544, а также плоскость, в которой располагается анодный проводной набор 543, причем обе эти плоскости располагаются параллельно, причем электродные провода первого и второго катодных проводных наборов 542 и 544 перпендикулярны электродным проводам анодного проводного набора 543. Электронная лавина достигается за счет использования сильного электрического поля около анодного провода. Электроны, образованные лавиной, могут быть быстро собраны анодными проводами, в то время как образовавшиеся положительные ионы могут дрейфовать на некоторое расстояние, а затем собираться первым и вторым катодными проводными наборами 542 и 554.
[0055] Как показано на Фиг. 4 и 5, первый катодный проводной набор 542 содержит множество электродных проводов, расположенных параллельно и расположен между первым преобразователем 520 медленных нейтронов и вторым преобразователем 530 медленных нейтронов и около конца первого преобразователя медленных нейтронов (нижнего конца первого преобразователя 520 медленных нейтронов на Фиг. 4). Второй катодный проводной набор 544 содержит множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположен между первым преобразователем 520 медленных нейтронов и вторым преобразователем 530 медленных нейтронов и около конца второго преобразователя медленных нейтронов (верхнего конца второго преобразователя 530 медленных нейтронов на Фиг. 4). Проводной набор 543 считывающего электрода содержит множество электродных проводов, расположенных параллельно, работающих в качестве анода и расположенных между первым катодным проводным набором 542 и вторым катодным проводным набором 544. Множество электродных проводов проводного набора 543 считывающего электрода являются по существу перпендикулярными направлению, вдоль которого простирается множество электродных проводов первого катодного проводного набора 542, а также направлению, вдоль которого простирается множество электродных проводов второго электродного проводного набора 543. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления зазор между проводным набором 543 считывающего электрода, который используется в качестве анода, и каждым проводом из первого катодного проводного набора 542 составляет 2-3 мм. Зазор между проводом считывающего электрода и вторым катодным проводным набором 543 составляет 2-3 мм, предпочтительно 2 мм; и зазор между проводами анодного проводного набора составляет 3-5 мм, предпочтительно 4 мм.
[0056] Как показано на Фиг. 5, устройство обнаружения медленных нейтронов может дополнительно содержать первый проводной набор 541 защиты от электрического поля и второй проводной набор 545 защиты от электрического поля. Первый проводной набор 541 защиты от электрического поля содержит множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположен между первым катодным проводным набором 542 и первым преобразователем 520 медленных нейтронов. Второй проводной набор 545 защиты от электрического поля содержит множество электродных проводов, расположенных параллельно, и расположен между вторым катодным проводным набором 544 и вторым преобразователем 545 нейтронов.
[0057] Фиг. 6 показывает схематическую диаграмму принципа работы устройства обнаружения медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением. Принцип работы устройства обнаружения медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением будет описан ниже со ссылкой на Фиг. 5 и 6.
[0058] Как показано на Фиг. 6, процесс обнаружения медленных нейтронов в соответствии с настоящим изобретением может быть разделен на три части: поглощение медленных нейтронов и образование электронов, дрейф электронов, а также умножение электронов и сбор сигнала.
[0059] Стадия физического процесса поглощения медленных нейтронов и образования электронов происходит в преобразователе медленных нейтронов. Падающие медленные нейтроны подвергаются реакции 10B (n, α) 7Li в слое 126 бора, приводящей к образованию тяжелых заряженных частиц, α частиц и 7Li, которые имеют противоположные направления движения и равномерно распределены в телесном угле 4π. Следовательно, каждая реакция имеет самое большее одну частицу, входящую в газовую среду сотового отверстия 124. Когда α-частицы или 7Li движутся в газовой среде внутри отверстия 124, энергия может быть придана за счет ионизационного эффекта для образования электронов. Если эти электроны обнаруживаются детектором, может быть сформирован соответствующий электрический сигнал.
[0060] На этой стадии потенциальная чувствительность детектирования медленных нейтронов всего детектора может быть определена в зависимости от вероятности протекания реакции 10B (n, α) 7Li при прохождении медленных нейтронов через слой 126 бора, а также средней вероятности попадания α-частиц и 7Li в отверстия 124. Как было описано выше со ссылкой на Фиг. 3, когда массовая толщина слоя бора поддерживается в диапазоне 0,232-0,694 мг/см2 (что соответствует толщине 1-3 мкм при плотности 2,35 г/см3), может быть достигнута более высокая чувствительность детектирования медленных нейтронов.
[0061] Благодаря ионизационному эффекту тяжелых заряженных частиц, начальные положения, в которых образуются электроны, распределяются внутри соответствующих сотовых отверстий всего преобразователя медленных нейтронов. Для того, чтобы эти электроны сформировали выходной электрический сигнал, схема настоящего изобретения обеспечивает дрейф электронов из отверстий. Как было отмечено ранее, электроны дрейфуют к одному концу преобразователя медленных нейтронов, то есть дрейфуют к устройству 542, 543, 544 умножения и считывания электронов под воздействием электрического поля.
[0062] Учитывая тот факт, что электроны могут попадать на устройства 542, 543, 544 умножения и считывания как с верхней стороны, так и с нижней стороны, а также принимая во внимание удобство использования в области обнаружения на большой площади, варианты осуществления настоящего изобретения используют методику двумерных многопроводных электродов для построения электронного умножителя, то есть используют три набора проводов для того, чтобы построить плоскость, в которой располагаются первый и второй катодные проводные наборы 542 и 544, а также плоскость, в которой располагается анодный проводной набор 543, причем обе эти плоскости располагаются параллельно, причем электродные провода первого и второго катодных проводных наборов 542 и 544 перпендикулярны электродным проводам анодного проводного набора 543. Электронная лавина достигается за счет использования сильного электрического поля около анодного провода. Электроны, образованные лавиной, могут быть быстро собраны анодными проводами, в то время как образовавшиеся положительные ионы могут дрейфовать на некоторое расстояние, а затем собираться первым и вторым катодными проводными наборами 542 и 554.
[0063] Детектор медленных нейтронов вышеупомянутых вариантов осуществления имеет два покрытых бором преобразователя 520 и 530 тепловых нейтронов, которые совместно используют одно устройство для создания электронной лавины и сбора сигнала, и располагаются плоскосимметрично относительно друг друга. Такое конструктивное решение позволяет наполовину уменьшить максимальное расстояние дрейфа электронов при неизменном размере детектора, что является весьма полезным для улучшения эффективности обнаружения детектора.
[0064] Для того, чтобы удалить электронный шум и сигнал от γ-излучения, все газовые нейтронные детекторы нуждаются в установке некоторого порога, и в том случае, когда этот порог и электронная лавина остаются постоянными, результаты дрейфа электронов будут значительно влиять на чувствительность детектирования нейтронов. Фиг. 7 показывает соотношение между расстоянием дрейфа электронов и вероятностью превышения сигналом порога при заданном пороге. Как видно из Фиг. 7, если нейтронный преобразователь с высотой 100 мм расщепляется на два преобразователя, каждый высотой 50 мм, и сигнал считывается из них, то есть если максимальное расстояние дрейфа может быть уменьшено до 50 мм со 100 мм, средняя вероятность превышения сигналом порога может увеличиться на 5%-10%.
[0065] Газовый нейтронный детектор с с повышенной эффективностью может быть произведен с использованием, например, покрытого бором преобразователя тепловых нейтронов и многопроводного конструктивного решения считывания, как было описано выше. По сравнению с детектором, содержащим один новый покрытый бором преобразователь тепловых нейтронов, расстояние дрейфа электронов в преобразователе тепловых нейтронов сокращается без увеличения объема детектора, что может улучшить общую чувствительность детектирования детектора.
[0066] В то время как настоящее раскрытие было описано со ссылкой на несколько типичных вариантов осуществления, следует понимать, что использованные здесь условия являются иллюстративными и примерными, но не ограничивающими. Поскольку настоящее изобретение может быть воплощено во многих формах без отступлений от духа или существа настоящего изобретения, следует понимать, что вышеописанные варианты осуществления не ограничиваются какой-либо из вышеописанных деталей, но должны рассматриваться в широком смысле в рамках духа и области охвата настоящего изобретения, определяемых приложенной формулой изобретения. Таким образом, все вариации и модификации, которые находятся в пределах области охвата формулы изобретения или ее эквивалентов, покрываются прилагаемой формулой изобретения.
1. Устройство обнаружения медленного нейтрона, содержащее:
первый преобразователь медленных нейтронов и второй преобразователь медленных нейтронов, выполненные с возможностью взаимодействия с падающими нейтронами и генерирования электронов; и
устройство умножения и считывания электронов, расположенное между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и выполненное с возможностью умножения и считывания электронов,
причем устройство умножения и считывания электронов содержит:
первый катодный проводной набор, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, причем первый катодный проводной набор расположен между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и около одного конца первого преобразователя медленных нейтронов;
второй катодный проводной набор, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, причем второй катодный проводной набор расположен между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и около одного конца второго преобразователя медленных нейтронов; и
проводной набор считывающего электрода, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно и работающих в качестве анода, причем проводной набор считывающего электрода расположен между первым катодным проводным набором и вторым катодным проводным набором, причем множество электродных проводов проводного набора считывающего электрода по существу перпендикулярны направлению, вдоль которого проходит множество электродных проводов первого катодного проводного набора, а также направлению, вдоль которого проходит множество электродных проводов второго катодного проводного набора.
2. Устройство обнаружения медленного нейтрона по п. 1, дополнительно содержащее:
первую катодную пластину, расположенную около другого конца первого преобразователя медленных нейтронов относительно первого катодного проводного набора; и
вторую катодную пластину, расположенную около другого конца второго преобразователя медленных нейтронов относительно второго катодного проводного набора.
3. Устройство обнаружения медленного нейтрона по п. 1, дополнительно содержащее:
первый проводной набор защиты от электрического поля, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, причем первый проводной набор защиты от электрического поля расположен между первым катодным проводным набором и первым преобразователем медленных нейтронов; и
второй проводной набор защиты от электрического поля, включающий в себя множество электродных проводов, расположенных параллельно, причем второй проводной набор защиты от электрического поля расположен между вторым катодным проводным набором и вторым преобразователем медленных нейтронов.
4. Устройство обнаружения медленных нейтронов по п. 1, в котором зазор между проводным набором считывающего электрода и каждым проводом из первого катодного проводного набора составляет 2-3 мм, зазор между проводным набором считывающего электрода и вторым катодным проводным набором составляет 2-3 мм, и зазор между множеством электродных проводов считывающего электрода составляет 3-5 мм.
5. Устройство обнаружения медленных нейтронов по п. 1, в котором каждый из первого преобразователя медленных нейтронов и второго преобразователя медленных нейтронов содержит:
подложку, включающую в себя множество сквозных отверстий, проходящих в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой расположено множество электродных проводов считывающего электрода, и изолирующие стенки между множеством сквозных отверстий; а также
слой бора, покрывающий по меньшей мере открытую поверхность множества сквозных отверстий.
6. Устройство обнаружения медленных нейтронов по п. 5, в котором объем каждого из первого преобразователя медленных нейтронов и второго преобразователя медленных нейтронов находится в диапазоне 1-20000 см3, а диаметр сквозного отверстия находится в диапазоне 1-10 мм.
7. Устройство обнаружения медленных нейтронов по п. 6, в котором каждый из первого преобразователя медленных нейтронов и второго преобразователя медленных нейтронов представляет собой кубоидный покрытый бором преобразователь медленных нейтронов с площадью основания 10 см x 10 см и высотой 5 см, а диаметр сквозного отверстия составляет 3,6 мм.
8. Устройство обнаружения медленных нейтронов по п. 7, в котором слой бора имеет толщину 1-3 мкм, предпочтительно 1,6 мкм.
9. Устройство обнаружения медленных нейтронов по п. 1, дополнительно содержащее экранирующую поле клетку с цилиндрической структурой, которая окружает первый преобразователь медленных нейтронов и второй преобразователь медленных нейтронов и содержит множество коаксиальных медных колец для приложения соответствующих напряжений градиента.
