Способ регулирования чувствительности устройства для регистрации быстрых нейтронов

 

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ с плоским полупроводниковым детектором,с интегральным дискриминатором, с помощью водородсодержащёго радиатора протонов отдачи, помещенного перед чувствительной областью полупроводникового детектора , отличающийся тем, что, с целью обеспечения регулируемой чувствительности в области 1энергии нейтронов ,5- 100 МэВ в мононаправленном и изотропном полях нейтронов, уменьшения фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора, упрощения процесса регулирования, толщину чувствительной области W полупроводникового Детектора задают такой , чтобы выполнялись соотношения В.В/ §-(Е,) Е, где В - порог дискриминатора; средняя на пути, равном W, удельная потеря энергии в веществе детектора протона с начальной энергией, равной Е, R(B) - пробег в детекторе прото (Л на с начальной энергией, равной В, а t тт толщину водородсодержащего радиатора задают постоянной для каждого устройства в пределах 1-50 мм. 00 Од СП сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„786551

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2761112/18-25 (22) 28.04. 79 (46) 23.08.88. Бюл. № 31 (72) И.И.Лазуткин и Б.И.Синицын (53) 621.387.462(088.8) (56) Патент Великобритании № 1444719, кл. G 6 Р, опублик. 1976.

Патент США №- 2616052, кл. 250-83.1, опублик. 1952.

Nuclearics April, 1959, р. 116"

122. (54) (57) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЪНОСТИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ с плоским полупроводниковым детектором,с интегральным дискриминатором, с помощью водо» родсодержащего радиатора протонов отдачи, помещенного перед чувствитель. ной областью полупроводникового детектора, отличающийся тем, что, с целью обеспечения регули(5g 4 С 01 Т 1/24 G 01 Т 3/00! руемой чувствительности в области энергии нейтронов Е-0,5-100 Мэв в мононаправленном и изотропном полях нейтронов, уменьшения фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора, упрощения процесса регулирования, тол. щину чувствительной области W полупроводникового детектора задают такой, чтобы выполнялись соотношения

Е, > В,В/ (Е„) > W 7 В.(В)

dE 1в dE где  — порог дискриминатора

dx средняя на пути, равном W, удельная потеря энергии в веществе детектора протона с начальной энергией, равной

E„, R(B) — пробег в детекторе прото на с начальной энергией, равной В, а

1 толщину водородсодержащего радиатора задают постоянной для каждого устройства в пределах 1-50 мм.

786551

Предлагаемое изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а конкретно к измерению полей быстрых нейтронов. 5

Существуют способы регулирования чувствительности датчиков быстрых нейтронов с целью получения требуемой по условиям и задачам эксперимента зависимости чувствительности от энер-fp гии нейтронов. Например при изготовлении дозиметров нейтронов для получения кривой чувствительности близкой к дозовой применяют способ, заключаю- щийся в том, что датчик дозиметра вы- 5 полняют из двух различных делящихся веществ, смешанных в определенном отношении. Однако, возможности этого способа ограничены, поскольку трудно подобрать делящиеся вещества, позво- 20

l ляющие получить нужную характеристику в широком диапазоне энергий нейтронов

Известен способ, заключающийся в том, что пропорциональный счетчик 25 наполняют водородсодержащим газом, стенки счетчика выполняют из водородсодержащего материала. Меняя давление газа и толщину стенок, получают требуемую энергетическую зависимость 30 чувствительности датчика. Недостаток этого способа состоит в том, что применение его ограничено областью дозиметрии быстрых нейтронов с энергией ниже 15 МэВ.

Наиболее близким решением к заявляемому является способ регулирования чувствительности устройства с плоским полупроводниковым детектором с интегральным дискриминатором для реги- 40 страции быстрых нейтронов с помощью водородсодержащего радиатора протонов отдачи, помещенного перед чувствительной областью полупроводникового детектора. 45

Выход детектора соединяют со входом интегрального дискриминатора импульсов. Требуемую характеристику устройства (в данном случае это — зависимость от энергии нейтронов отношения числа импульсов на выходе дискриминатора к потоку нейтронов) получают подбором соответствующего профиля радиатора. При этом характеристика устройства может быть рассчи55 тана.

Однако, у этого способа имеются существенные недостатки, которые не позволили найти ему широкого практического применения.

1. В общем случае для получения требуемой характеристики необходимо задавать сложный профиль радиатора (толщина радиатора перед детектором должна меняться от долей миллиметра до 1-2 см). При этом рассчитать характеристику можно лишь при выполнении двух условий: при мононаправленном поле нейтронов, когда направление полета нейтронов совпадает с нормалью к поверхности детектора, и при достаточно большой толщине чувствительной области детектора, такой, что высокоэнергетичные протоны отдачи теряют в чувствительной области энергию, превышающую порог дискриминатора. В связи с этим практическое использование способа при регистрации нейтронов с энергией выше 20 МэВ затр уднено.

2. Использование детекторов с большой толщиной чувствительной области приводит к увеличению фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора.

3. При регулировании чувствительности в процессе регистрации нейтронов необходимо прерывать измерения и производить замену радиатора, что приводит к увеличению затрат времени и к уменьшению точности получаемых результатов.

Целью предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно, создание устройства с регулируемой чувствительностью в области энергий нейтронов F. в монона1 правленном и изотропном полях нейтронов, при этом 0,5 МэВ < Е, (100 МэВ уменьшение фона от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора, упрощение процесса регулирования чувствительности.

Для достижения поставленной цели в известном способе регулирования чувствительности с плоским полупроводниковым детектором с интегральным дискриминатором для регистрации быстрых нейтронов с помощью водородсодержащего радиатора протонов. отдачи, помещенного перед чувствительной областью полупроводникового детектора, порог дискриминатора В и толщину чувствительной области W полупроводникового (предпочтительно кремниевого) детектора задают такими, чтобы выполнялись

/55655

dE соотношения Е В, В/ — (Е ) ) W )

Йх у Е(В)), (Е,) средняя на пути

Гв ак

1- Е5 Йх

) равном W удельная потеря энергии в веществе детектора протона с начальной энергией, равной Е,, R(3) — пробег в детекторе протона с начальной энергией . равной В толщину водородФ У

10 содержащего (предпочтительно полиэтиленового) радиатора задают постоянной для каждого устройства в пределах 150 мм.

Например в устройстве, содержащем полупроводниковый детектор, перед чувствительной областью которого помещают радиатор. толщиной 20 мм, задают толщину чувствительной области

W — - 300 мкм и пороги дискриминатора последовательно равными 1, 1,5, 2 МэВ.

Указанные значения удовлетворяют приведенным вьппе соотношениям в области высоких энергией нейтронов (например при Е !х 30 МэВ), что позволяет

5 получить набор различных зависимостей чувствительности от энергии нейтронов в мононаправленном поле излучения (фиг. 1; 1 — при пороге В - 1 МэВ;

2 - 1,5 МэВ, 3 — 2 МэВ). Это указывает на воэможность регулирования

;чувствительности устройства. Аналогичные зависимости для изотропного поля нейтронов приведены на фиг. 2 при W = 500 мкм (4 — B=i МэВ, 5 — 2 МэВ, 6 — 3 МэВ).

Физической основой предлагаемого способа является то, что при выпол1 ненни соотношения В/((Е;)) W

dE х 40 пробеги протонов с энергией от Е„до

100 МэВ, образующихся при регистрации нейтронов, будут меньше толщины чувствительной области детектора W, Более того, вследствие малых величин 4r

1 1 dE удельных потерь энергии — высокоdx энергетичных протонов часть протонов, попадающих в детектор с энергией Е„

100 мЭв, оставит в чувствительной об- 5О ласти энергию меньше пороговой В и не будет зарегистрирована, что повлияет на чувствительность устройства к нейтронам. Доля незарегистрированных протонов будет зависеть от величин В и W вследствие че 6 можно менять чувствительность устройства s пп5роком диапазоне энергий нейтронов, изменяя величины В и W; Выполнение1 ч

Гв условий F o В и W ) R(B)t ——

F- 5 обесЕ

"((Е„РВРW(Ð Х) = — — — ) х(Е РЕ„РВРW Л) пм (!

° В(Ер, Е„)ЙЕ

- чувствительность устройства; — энергия нейтронов — порог дискриминатора; — толщина чувствительной области детектора; — толщина радиатора; — число атомов водорода в 1 см радиатора; — сечение взаимодействия нейтрона с протоном; — площадь детектора; — энергия протонов отдачи;

- толщина некоей эффективной области радиатора; все протоны, образующиеся в пределах этой области с энергией

Е в результате взаимодейстP вия нейтрона энергии E достигнут детектора и будут, зарегистрированы, и ни один протон с энергией ЕР, образующийся в радиаторе вне пределов этой области, не будет зарегистрирован устройством;

- коэффициент, учитывающий ани-. зотропию рассеяния нейтрона на протоне в системе центра масс. где

E5)

В

Ь и, S

Е

Х печивает отличие от 0 чувствительности во всей области энергий нейтронов

Е, — 100 МэВ, Фон от сопутствующего гамма-излучения и от реакций нейтронов с веществом детектора сводится к минимуму, поскольку способ реализуется при достаточно малых толщинах чувствительной области,а при этом,вопервых мала вероятность взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с веществом детектора и, во-вторых, фоновые импульсы имеют небольшую величийу и легко дискриминируются. Толщина радиатора задается постоянной для каждого устройства, что позволяет провести расчет чувствительности как для мононаправленного, так и для изотропного полей нейтронов.

Расчет чувствительности для мононанравленного поля нейтронов проводится по формуле

786551

Для изотропного поля нейтронов чувствительность рассчитывается по

Формуле

k д Е 5 (е„,В,ч,ь) -" — - ) 1 Й(;,е„)"

n

Еи о о Ер1

«sinPdEp а«й, где Ы.".угол межцу нормалью к поверх-10 ности детектора и направле1 нием вылета протона отдачи;

Х - переменная интегрирования по толщине радиатора;

R F1 и 15

КИ - н*нияя и верхняя границы энергий протонов отдачи, образу1ощихся в радиаторе на расстоянии Х от детектора, вылетающих под углом d и остав- щ ляющих в чувствительной области детектора энергию больше:; порога дискриминатора<

Результаты расчета, представленные на фиг, 1, 2 получены для случая, ког-28 да в качестве материала радиатора взят полиэтилен, детектора - кремний.

Изменение чувствительности с помо« щью параметров устройства — порога дискриминатора и толщины чувствитель- 30 ной области детектора - в сочетании с контролем вида характеристики,осуществляемым расчетным путем, позволяет регулировать чувствительность в об" ласти энергий нейтронов 0,5-100 МэВ, Устройства, в которых реализуется данный способ, могут оказаться незаменимыми при регистрации быстрых нейтронов, образующихся при работе ускорителей заряженных частиц, а также в верхних слоях атмосферы, там, где основной вклад в дозу дают нейтроны с энергией выше 10 МэВ. Воэможность плавного изменения чувствительности устройства позволяет подбирать оптимальную характеристику, исходя из условий измерения нейтронных полей. Существенно упрощается пс сравнению с прототипом регулровка чувствительности устройства, для чего достаточно изменить порог дискриминатора. Пренебрежимо малая чувствительность к гамма-излучению позво ляет использовать подобные устройст ва в смешанных полях излучений при высоких отношениях потоков гамма-лучей и нейтронов. Например при толщине чувствительной области кремниевого детектора 500 мкм и пороге дискриминатора 2,5 МэВ, вклад в показания устройства от гамма-излучения не превышает 1,Б.при работе s полях с отношением гамма"лучей кнейтронам 1000/1.

Предлагаемый способ открывает воможность применения для регистрации нейтронов полупроводниковых детекторов с малой толщиной чувствительной области. Такие детекторы существенно проще в изготовлении и дешевле.

786551

20 4

Энергия ней троиоб, /ЮР

В

Рос.2 со ю

3нсрсцю нешпроно3, ИЯ

Составитель А.Рогозный

Редактор Н.Сильнягина Техред М.Моргентал Корректор Г.Решетник

Заказ 4407

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Ф% о

4 /

Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5