ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ

Область техники

Изобретение относится к детектированию ядерных излучений и может быть использовано в области нейтронной радиографии, ядерной физике, атомной энергетике, машиностроении, строительстве и других отраслях.

Уровень техники

Одной из наиболее актуальных проблем в области нейтронной радиографии, в частности на быстрых нейтронах (5÷15 МэВ), является невысокое пространственное разрешение и относительно низкое отношение полезного сигнала к фоновому шуму в существующих датчиках. Создание датчиков с более высокими характеристиками позволит резко расширить область применения высокоэнергетической нейтронографии. В настоящее время значительное количество работ в этой области направлено на решение именно этой задачи.

В настоящее время известен и широко применяется для задач нейтронографии детектор нейтронов в виде плоского пластикового сцинтиллятора. Его работа основана на регистрации сцинтилляций, вызванных протонами отдачи, генерируемых в объеме детектора при рассеянии нейтронов на протонах (ядрах водорода) [1].

Недостатком этих детекторов является низкое пространственное разрешение (хуже 1 мм) и невысокая яркость изображения, требующая значительного времени экспозиции (несколько часов).

Перечисленные недостатки этих детекторов вызваны незначительной эффективностью регистрации быстрых нейтронов (менее 1%) и относительно большим пробегом протонов отдачи в сцинтилляторе (˜1 мм).

Известен детектор нейтронов, принцип работы которого заключается в прямом преобразовании кинетической энергии ядерных частиц (например, осколков деления урана) в люминесцентное излучение, регистрируемое с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) [2]. Детектор выполнен в виде корпуса, заполненного газовой люминесцирующей средой с навеской из делящегося материала, и двумя ФЭУ, установленными на торцах корпуса.

Недостатком такого детектора является то, что он не способен контролировать плотность потока нейтронов выше, чем 10⁶ см^-2 с^-1 в связи с высокой чувствительностью ФЭУ к нейтронному и гамма излучению. Поэтому этот детектор непригоден для измерения нейтронных потоков в нейтронной радиографии, ядерной физике, атомной энергетике.

Известен детектор нейтронов, в котором, в отличие от [2], делящийся материал выполнен в виде слоя. Этот материал нанесен на боковую поверхность корпуса. В одном из торцов корпуса размещен волоконный световод, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром [3]. С помощью такого детектора нейтронов, при подборе наиболее эффективно люминесцирующей среды, в которой мощность люминесцентного излучения линейно зависит от величины нейтронного потока, можно осуществить регистрацию нейтронов в диапазоне плотностей потока нейтронов 10⁷-10¹⁷ см^-2 с^-1.

К недостаткам детектора [3] следует отнести низкое отношение полезного сигнала к фоновому, невысокое пространственное разрешение (хуже 1 мм), а также большое время экспозиции (несколько часов).

Последнее решение, как наиболее близкое по физической и технической сущности, выбрано в качестве прототипа.

Раскрытие изобретения

Технический результат в заявляемом детекторе нейтронов состоит в увеличении отношения полезного сигнала к фоновому и улучшение пространственного разрешения.

Технический результат в заявляемом изобретении достигается тем, что в детекторе нейтронов по п.1, включающем корпус, заполненный люминесцентной газовой средой с нанесенным на его боковую поверхность слоем делящегося материала, и регистратор, новым является то, что корпусом служит установленная с возможностью изменения направления на источник излучения и исследуемый объект цилиндрическая трубка длиной не менее 30 мм с диаметром менее 0,5 мм, со слоем делящегося материала в трубке размером не более одной длины пробега собственных осколков деления ядер. Регистратором может служить фотоприемник с фильтром.

В детекторе нейтронов по п.2 новым является то, что он снабжен дополнительными идентичными цилиндрическими трубками, установленными в матричном порядке. При этом регистратором оптического излучения может служить цифровая камера.

Покажем, каким образом достигается технический результат в заявляемом изобретении.

Осколки деления генерируются в трубке детектора нейтронов при попадании в нее быстрого нейтрона, движущегося строго по ее оси. Незначительное отклонение падающего нейтрона от этого направления (менее 0.01°) уменьшает количество генерируемых осколков в трубке, а значит и интенсивность световой вспышки, в ˜10³ раз. Благодаря предложенной совокупности признаков в заявляемом детекторе нейтронов контрастность и яркость изображения существенно возрастают по сравнению с применяемыми типами детекторов. В частности, отношение «сигнал/фон» при входной апертуре детектора ˜10^-3 составляет по предварительным оценкам ˜200.

Наличие же идентичных цилиндрических трубок в детекторе нейтронов, установленных соосно в матричном порядке, позволяет получить изображение многих точек и тем самым повысить контраст изображения, его четкость, а также облегчить задачу по обработке и анализу полученных нейтронографических изображений. Использование в качестве регистратора цифровой камеры способствует качественному и оперативному получению изображения.

На чертеже схематично представлен общий вид заявляемого детектора нейтронов, где 1 - источник нейтронов, 2 - исследуемый объект, 3 - экранирующая стенка, 4 - корпус, 5 - регистратор.

Детектор нейтронов по п.1 установлен за экранирующей стенкой 3 на пути распространения нейтронного потока от источника нейтронов 1 и исследуемого объекта 2. Корпус 4 детектора заполнен люминесцентной газовой средой, например Ar, Ar-Хе и т.д. Корпус установлен с возможностью изменения направления на источник излучения 1 и исследуемый объект 2. Корпус 4 выполнен в виде цилиндрической трубки длиной не менее 30 мм с диаметром менее 0,5 мм. На боковую поверхность трубки нанесен слой делящегося материала, например слой высокообогащенного делящегося материала - U²³⁵ размером не более одной длины пробега собственных осколков деления ядер (˜5-10 мкм). При этом регистратором служит фотоприемник с фильтром.

Детектор нейтронов по п.2 содержит дополнительно идентичные цилиндрические трубки, установленные в матричном порядке. При этом регистратором служит цифровая камера.

Детектор нейтронов по п.1 работает следующим образом. Узконаправленный поток высокоэнергетических нейтронов 1, прошедший без взаимодействия через исследуемый объект 2 и защитную стенку 3, падает на цилиндрическую трубку 4 с длиной не менее 30 мм и с диаметром менее 0,5 мм. Нейтроны, проходя через слой высокообогащенного делящегося материала - U²³⁵, нанесенного на боковые поверхности трубки размером не более одной длины пробега собственных осколков деления ядер (˜5-10 мкм), с некоторой вероятностью, вызывают деления ядер U²³⁵. Высокоэнергетические (˜20 МэВ-100 МэВ) осколки деления ядер U²³⁵ попадают в узкие полости цилиндрической трубки 4 и возбуждают люминесцентную газовую среду, находящуюся в ней. Возбуждение газовой среды вызывает в ней оптическое излучение с интенсивностью, пропорциональной интенсивности нейтронного потока. Оптическое излучение выводится из трубки, собирается линзой и регистрируется на выходе из канала, например, фотоприемником с фильтром 5.

Детектор нейтронов по п.2 работает аналогичным образом. Наличие матрицы цилиндрических трубок позволяет получить изображение многих точек. Использование в качестве регистратора 5 цифровой камеры способствует качественному и оперативному получению изображения.

Использование предлагаемого детектора нейтронов позволит сократить время проведения нейтронного просвечивания, что, в принципе, даст возможность использовать более широкий спектр источников нейтронов - от радиоактивных источников нейтронов, до ускорителей и ядерных реакторов. Особенно привлекательными в этом смысле являются исследовательские импульсные ядерные реакторы, способные в короткие промежутки времени генерировать высокие флюенсы нейтронов как в экспериментальных каналах, так и вблизи поверхности активной зоны реакторов.

Использование ядерных реакторов, в свою очередь, даст возможность за короткое время проводить контроль либо партии небольших по габаритам изделий, что экономически выгодно, либо внутреннюю структуру одного большого по габаритам объекта.

Проведен теоретический анализ работоспособности заявляемого изобретения. Этот анализ заключался в решении задачи по созданию узконаправленного пучка высокоэнергетических нейтронов необходимой интенсивности, расчете поля делений в активных (содержащих уран-235) слоях, оценке энергии, выносимой осколками деления ядер U²³⁵ в газовую смесь. Расчет поля делений осуществлялся численным моделированием, с использованием методом Монте-Карло. Был выполнен расчет по оптимизации оптического излучения (геометрии трубок, параметров и состава газовой среды, схемы вывода оптического излучения из трубок), позволяющего получать и регистрировать изображение исследуемого объекта. В результате расчетно-теоретических исследований показано, что данный детектор имеет эффективность регистрации быстрых нейтронов на несколько порядков превышающую эффективность прототипа, а при применении его в радиографии на быстрых нейтронах позволяет получить более качественное изображение объекта.

Ранее проведена экспериментальная проверка физических принципов, заложенных в конструкцию заявляемого устройства. Экспериментальное исследование основано на отработанных экспериментальных методах по исследованию характеристик полей деления способом нейтронно-активационного анализа. Получение оптического излучения, его вывод из трубок датчика, а также регистрация изображения объекта производилась с учетом опыта многолетних исследований газовых сред лазеров с накачкой осколками деления U²³⁵[4-7]. Результаты исследования показали реалистичность расчетных характеристик заявляемого устройства и достигаемого технического результата.

Благодаря этому предложенный детектор нейтронов найдет широкое применение в области нейтронной радиографии, ядерной физике, атомной энергетике, машиностроении, строительстве и других отраслях.

Список литературы

1. Arnie Heller. Uncovering Hidden Detects with Neutrons. Science@Technology Review. U.S. Department of Energy's, Lawrence Livermore National Laboratory, May, 2001.

2. Балдин С.А., Матвеев В.В. Газовые сцинтиллиционные счетчики. ПТЭ, №4. 1963, стр.5-18.

3. RU ПМ №30008 по МКИ G01T 1/16, опубл. 10.06.2003 г., БИ №16, 2003 г.

4. Arnie Heller. Uncovering Hidden Defects with Neutrons. Science@Technology Review. U.S. Department of Energy's, Lawrence Livermore National Laboratory, May, 2001.

5. A.M.Voinov, L.E.Dovbysh, V.N.Krivonosov, S.P.Melnikov, I.V.Podmoshenskii, and A.A.Sinyanskii, "Infrared nuclear-pumped lasers operating on transitions of Arl, KrI and XeI", Tech. Phys. Lett., 5, No.7, pp.422-424, 1979.

6. A.M.Voinov, S.P.Melnikov and A.A.Sinyanskii, "Kinetic model of recombination lasers operating on the atomic xenon transitions. I. Mechanism of laser action and plasma parameters", Sov. J. Tech. Phys., 60, No.10, pp.100-106, 1990.

7. A.A.Sinyanskii, S.P.Melnikov, "Development of continuous nuclear-laser setups in VNIIEF", Proceedings of SPIE. 3686, pp.43-55, 1999.