Устройство для исследования потоков нейтронов

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕ,ЦО- ВАНИЯ ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ, содержащее сцинтилляционный датчик, включающий комбинированный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детектором тепловых и медленных нейтронов и окружаницим его прозрачным пластическим сцинтиллятором, фотоумножитель и подключенный к датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженных частиц игамма-квантов, о т л и ч аю щ ее с я ^-ем. Что, с целью определения направления потоков нейтронов, повышения чувствительности регистрации, -а также расширения диапазона энергий регистрируемых нейтронов, пластический сцинтиллятор комбинированного сцинтиллятора выполнен в форме шара, разделенного на одинаковые элементы светонепроницаемыми перегородками, пересекающимися в центре шара, причем в перегородке каждого из элементов установлен сцинтилляционный детектор тепловых и медленных нейтронов, введенный в пластический сцинтиллятор на глубину, равную его. толщине, а на сферических поверхностях каждого элемента установлен фoтoyмнo^ житель.2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что,светонепроницаемые перегородки выполнены в виде двух пластин, разделенных поглотителем нейтронов.(Лэо-4^ •jQ 'Л VIN0

(19) (11) Ж

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) < 01 T 3/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2879548/18-25 (22) 08. 02. 80 (46) 15. 09. 83. Бюл. )) 34 (72) Ю,Ф.Бабикрва, В.B. .(àäèëèí, И.Ю.Лакина, Ю.A.Ñàìîíåíêî, В.Т.Самосадный, В.A.×àaäaåâ.è П.И.!()аврин (7:1) Московский ордена Трудового

Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 621.387.426(088.8) (56).1. Т.В.Breaagan and Smith B.V., IEEE Trans N.S. 10, )) 1, 172.

2. Авторское свидетельство СССР

9 124556, кл. G 01 T 3/06, 1972.

3. Антонова И.A. и др. Геомагнетизм и аэрономия, 1971, 9 11, с. 883 (прототип). (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛГЦОВАНН8 ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ, содержащее сцинтилляционный датчик, включающий комбинированный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детектором тепловых и медленных нейтронов и окружающим его прозрачным пластическим сцинтиллятором, Фотоумножитель и подключенный к датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженных частиц и. гамма-квантов, о .т л и ч а, ю щ е е с я тем, что, с целью определения .направления потоков нейт„ ронов, повышения чувствительности ре гистрации, а также расширения диапазона энергий регистрируемых нейтронов, пластический сцинтиллятор комбинированного сцинтиллятора выполнен в форме шара, разделенного на одинаковые элементы светонепроницаемыми перегородками, пересекающимися в центре шара, причем. в перегородке каждого из элементов установлен сцинтилляционный детектор тепловых и медленных нейтронов, Q введенный в пластический сцинтиллятор на глубину, равную его, толщине, а на сферических поверхностях каждого элемента установлен Фотоумн житель.

2. Устройство по п.1, о т л и - Я .ч а ю щ е е с я тем, что,,свето. непроницаемые перегородки выполнены в виде двух пластин, разделенных поглотителем нейтронов °

843572

Изобретение относится к области технической физикы и может быть использовано для регистрации нейтронов в смешанных полях нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов.

Для регистрации нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до нескольких МэВ известны устройства, в которых детектор тепловых и медленных нейтронов окружен слоем замедлителя. Для защиты от регистрации заряженных частиц используется фосфич-эффект, а гамма-фон отделяется по амплитудам импульсов (1J, Такие устройства не обладают направленной чувствительностью ре- 35 гистрации нейтронных потоков и, кроме того,. чувствительность таких устройств к нейтронам различных,энер. гий зависит от размеров замедлителей, .

Известны также сцинтилляционные детекторы быстрых нейтронов, обладающие направленной чувствительностью к нейтронным потокам вдоль заданного направления, например вдоль своей оси, и выполненные в виде чередующихся слоев или нитей из сцинтиллирующей и несцинтиллирующей пластмасс (2) .

Эти детекторы обладают пониженной чувствительностью к гамма-фону, они предназначены только для „регистрации быстрых нейтронов.

Ближайшим к заявленному является устройство для исследования потока нейтронов, содержащее сцинтилляци- Ç5 онный датчик, включающий комбини-. рованный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детектором тепловых и медленных нейтронов и окружающим его прозрачным пластическим сцинтил- 40 лятором, фотоумножитель и подключенный к датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов f3) .

В состав датчика входят фотоумно житель и комбинированный сцинтиллятор тйпа фосфич, содержащий детектор тепловых и медленных нейтронов (кристалл 64i J(fu)), размерами

30 4 мм, окруженный пластическим сцинтиллятором в форме цилиндра.»

Последний предназначен для защиты антисовпадениями при регистрации заряженных частиц. Замедлитель из полиэтилена, окружающий датчик одинаковым со всех сторон слоем, равным 7 см, необходим для увеличения эффективности регистрации быстрых нейтронов, так как b L

Устройство предназначено для регистрации нейтронов в диапазоне энергий от 0,1 до 10 МэВ. Тепловые и медленные нейтроны регистрируются менее эффективно, чем промежуточные и быстрые. Это связано с тем, что вероятность прохождения через замедлитель из полиэтилена данной толщины для нейтронов с энергией меньше 100 кэВ мала (Длина замедления для нейтронов с энергией 100 кэВ равна 3,5 см, а длина диффузии в полиэтилене — 2,5 см).

Кроме того, указанное устройство не позволяет определять направление нейтронного потока, так как в нем отсутствуют коллиматоры, а кристалл 1<3(Ец ) обладает изотропной чувствительностью регистрации нейтронов. Устройство обладает низкой чувствительнЬстью регистрации нейтронов (n,1 см ), что затрудняет исследование слабых (1 н/см /с) по. токов нейтронов °

Целью изобретения является определение направления потоков нейтронов повышение чувствительности регистрации, а также расширение диапазона энергий регистрируемых нейтронов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содер-. жащем сцинтилляционный датчик, включающий комбинированный сцинтиллятор, образованный сцинтилляционным детек-. тором тепловых и медленных нейтронов и окружающим его прозрачным плас. тическим сцинтиллятором, фотоумножитель и подключенный к сцинтилляционному датчику электронный блок для разделения сигналов от нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов, пластический комбинированный сцинтиллятор выполнен в форме шара, разделенного на одинаковые элементы светонепроницаемыми перегородками, пересекающимися в центре шара, причем в перегородке каждого из элементов установлен один сцинтилляционный детектор тепловых и медленных нейтронов, введенный в пластический сцинтиллятор на глубину, равную его толщине, а на сферических поверхностях каждого элемента установлено по фотоумножителю, а также тем, что светонепроницаемые перегородки выполнены в виде двух пластин, разделенных поглотителем нейтронов.

Каждый элемент пластического сцинтиллятора с установленными в перегородке детекторами тепловых и медленных нейтронов и фотоумножитель образуют самостоятельный сцинтилляционный датчик - модуль.

Возможность определения направления нейтронного потока достигается тем, что чувствительный элемент каждого модуля, rn -я часть комбинированного сцинтиллятора, заэкранирован со всех сторон, кроме сферической поверхности, соседними частями комбинированного сцинтиллятора. При размерах элемента пластического

843572 сцинтиллятора, сравнимых с длиной замедления нейтронов L (т.е, при

Р > L ) наиболее вероятна регистра

Мсв рд "ф ция нейтрона тем же модулем, в который он первоначально попал. Направление нейтронного потока можно определить из сравнения скоростей счета нейтронов, зарегистрированных различными модулями датчика. Что касается повышения чувст вительности регистрации нейтронов, то она больше чувствительности прототипа за счет того,,что при этом же объеме ° замедлителя использовано большее количество детекторов тепловых и медленных нейтронов. При этом расширяется диапазон энергий регистрируемых нейтронов, так как уменьшается минимальная толщина слоя замедлителя, На фиг; 1 представлена функцио-! нальная схема устройства для исследования потоков нейтронов; на фиг.2 - датчик устройства при значениях m =8 и и =3, где ю — количество элементов пластического сцинтиллятора, П -количество перегоро. док.

Устройство состоит из датчика 1 и электронного блока 2, содержащего rn одинаковых каналов и предназначенного для разделения сигналов от регистрируемых нейтронов, гаммаквантов и заряженных частиц каждым модулем 3. Пластический сцинтиллятор

4 разделен светонепроницаемыми пе- регородками 5 на одинаковые элементы 6 в гранях которых расположены детекторы 7 тепловых и медленных нейтронов. На сферической поверхности каждого элемента находится соответствующий фотоумножитель 8. Дат. чик помещен в светонепроницаемый кожух.

Работает устройство следующим образом.

На датчик падает поток нейтронов, гамма-квантов и заряженных частиц. Нейтроны замедляются, попадая в элемент пластического сцинтиллятора, являющегося хорошим замедлителем из-за высокой концентрации водорода в сцинтиллирующей пластмассе. При размерах элемента, сравнимых с длиной замедления нейтронов, что достигается при радиусе шара, равном или несколько превосходящем последнюю, они с высокой вероятностью регистрируются детекторами тепловых и медленных нейтронов, находящимися в грайях того же элемента. Световая вспышка от регистрации нейтрона через прозрачный пластический сцинтиллятор улавливается соответствующим фотоумножителем.

Импульс тока с фотоумножителя поступает в электронный блок и идентифицируется последним как акт регистрации нейтрона данным модулем.

При замедлении нейтронов возможен их переход в соседние элементы.

Переход диффузионно-мигрирующих нейтронов через элемент мало вероятен, так как при этом они должны пересечь не менее трех граней элементов с расположенными на них детекторами тепловых и медленных

10 нейтронов и слой водородсодержащего вещества. Следовательно, каждый элемент пластического сцинтиллятора с расположенными на гранях детекторами тепловых и медленных нейтронов является нейтронопоглощающим экраном для соседних модулей датчика.

Из сравнения скоростей счета нейтронов, зарегистрированных различными модулями датчика, можно определить

20 направление падающего на датчик потока нейтронов, а по суммарному счету нейтронов во всех модулях можно найти величину потока нейтронов.

При попадании заряженной части25 цы в комбинированный сцинтиллятор последняя обязательно даст вспышку i в одном или нескольких элементах пластического сцинтиллятора и может дать вспышку в детекторах тепловых и медленных нейтронов. Такое событие идентифицируется электронным блоком как регистрация заряженной частицы.

Гамма-кванты, зарегистрированные детекторами тепловых и медленных

З5 нейтронов, дают амплитуды импульсов, отличные от амплитуд импульсов от регистрации нейтронов, и также выделяются электронным блоком.

Чувствительность регистрации ней40 тронов предлагаемым устройством значительно больше чувствительности известного устройства за счет того, что при том же объеме замедлителя использовано большее количество детекторов теиловых и медленных ней45 тронов. Кроме того, чувствительн ость зависит также от размеров комбинированного сцинтиллятора, эффективности регистрации нейтронов детекторами и количества элементов.

Пластический сцинтиллятор является замедлителем нейтронов переменной толщины (см.фиг.2) и предназначен также для активной защиты от заряженных частиц. Минимальная толщина его составляет величину порядка 1 см. Вероятность поглощения тепловых нейтронов при прохождении водородсодержащего замедлителя такой толщины мала, поэтому тепловые и

60 медленные нейтроны.

Чувствительность регистрации нейтронов предлагаемым устройством слабо зависит от энергии нейтронов, когда длина замедления их меньше или

65 порядка радиуса пластического сцинтил

843572 (Риг. 2

Составитель Ю.Алешин

Редактор Е.Дайч Техред T.Ìàòî÷êà . КорректорА. Ференц

Заказ 8210/5 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППЧ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лятора, и начинает уменьшаться, когда длина замедленная становится больше радиуса последнего.

Введение дополнительных поглотителей между элементами пластического сцинтиллятора увеличивает избирательность устройства к направлению па.дающего, потока. нейтронов, так как эти поглотители уменьшают вероятность взаимных переходов замедлившихся. нейтронов между соседними элемен- 10 тами комбинированного сцинтиллятора.

В реализованном устройстве в качестве сцинтилляционных детекторов тепловых и медленных нейтронов .использонаны кристаллы типа МЭ (Eu ) .При 15 радиусе пластического сцинтиллятора, равного 1.2 см,тп = 8 и я = 3 на каждой грани установлено по 4 кристалла,,размерами 30<5 мм. При этом чувствительность регистрации нейтронов всем gp устройством, т.е. сумма чувствитель-. ностей всех .восьми модулей, составляет 35 см и не зависит от углового распределения нейтронного потока, а чувствительность каждого отдельного25 модуля зависит от этого распределения. Так, при регистрации излучения

6 точечногв Р— 5 источника скорость счета нейтронов, зарегистрированных в противоположно ориентированных относительно источника .модулях, отличается приблизительно в три раза.

Если светонепроницаемые перегородки выполнены н виде двух пластин, разделенных поглотителем нейтронов, то отношение указанных скоростей света возрастает до четырех.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять направление потоков нейтронов с смешанных полях заряженных частиц, нейтронов и гамма-квантов без,использования дополнительных или внешних коллиматоров и изменения положения датчика н пространстве; обладает значительно большей чувствительностью регистрации нейтронов при тех же размерах и позноляет расширить диапазон энергии регистрируемых нейтронов, что особенно важно при иссле-, донании потоков нейтронов и опреде-, лении их угловых характеристик н космическом,пространстне, например солнечных нейтронов и нейтронов альбедо . !