Спектрометр 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.