Результат интеллектуальной деятельности: РАДИОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ МОНИТОРИРОВАНИЯ ПОТОКА ПРОТОНОВ

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при измерении интенсивных потоков протонов, в частности в экспериментальных зонах протонных ускорителей, при протонной терапии онкологических заболеваний, протонной радиографии, а также при диагностике в активных зонах термоядерных реакторов.

Известен способ измерения нейтронных потоков, основанный на позиционно-чувствительных детекторах, когда протонные потоки определяются по электрическому заряду, созданному протонным треком в матрице детекторов [патент США US 10,617,889, 2020]. Недостатком такого способа является высокая фоновая загрузка матрицы детектора из-за различных помех.

Наиболее близким по своей технической сущности является радиохимический способ мониторирования потока быстрых нейтронов, включающий облучение активного вещества потоком быстрых нейтронов, образование газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами активного вещества, выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества и последующую регистрацию распадов газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций, количество которых пропорционально величине потока нейтронов, причем газообразный радиоактивный продукт ядерных реакций является инертным газом [M. Cribier at al. Radiochemical measurement of fast neutrons using a Ca(HO₃)₂ aqueous solution. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. Volume 365, Issues 2-3, 1995, p. 533-541 /2/]. Недостатками такого способа являются использование водного раствора в качестве активного вещества, ядра которого участвуют в реакциях с нейтронами, что приводит к трудностям выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества, наличию фоновых взаимодействий нейтронов с ядрами водорода, необходимость устранения паров воды, наличие этапов сжижения и очистки радиоактивного инертного газа, и как следствие, низкая эффективность способа и невозможность его использования в реальном масштабе времени для мониторирования потока нейтронов. Отсутствует также избирательность по энергии при мониторировании.

Заявляемый в качестве изобретения радиохимический способ мониторирования потока протонов направлен на обеспечение упрощения способа, повышения его эффективности и обеспечение его использования в режиме реального времени с возможностью избирательного мониторирования протонов с разными энергиями (см. табл. 1).

Данный технический результат достигается тем, что радиохимический способ мониторирования потока протонов, включающий облучение активного вещества потоком быстрых протонов, образование газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами активного вещества, выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества и последующую регистрацию распадов газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций, количество которых пропорционально величине потока протонов, причем газообразный радиоактивный продукт ядерных реакций является инертным газом, заключается в том, что активное вещество в виде бесцветной жидкости гексана элементов 17 группы - галогенов G со структурой C₆H₁₃G облучают потоком протонов. Образовавшиеся газообразные радиоактивные продукты ядерных реакций, являющиеся инертными газами, выделяют из активного вещества и регистрируют их распады. В качестве галогена используют изотоп фтора ¹⁹F, изотоп хлора ³⁷Cl, изотоп брома ⁷⁹Br, изотоп йода ¹²⁷I. В качестве радиоактивного инертного газа в пороговых ядерных реакциях образуются радиоактивные изотопы ¹⁹Ne, ³⁷Ar, ⁷⁹Kr, ⁷⁷Kr, ⁷⁶Kr, ¹²⁷Хе, ¹²⁵Хе, ¹²³Хе, ¹²²Хе, ¹²¹Хе. Выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества происходит за счет диффузии. Скорость переноса выделившегося радиоактивного инертного газа до места регистрации его распадов выбирают из условия, чтобы время до начала регистрации распадов радиоактивного инертного газа было меньше периода полураспада радиоактивного инертного газа. На фиг. 1 приведена схема системы мониторирования потока протонов согласно способу, где: 1 - ампула с жидкостью галоген-гексан, Не - поток гелия, Р - поток протонов, 2 - газовая смесь гелия с радиоактивным газом ³⁷Ar, 3 - геттер, 4 - очистка гелия, 5 - газоразрядный счетчик, 6 - полупроводниковый детектор, 7 - система сбора и обработки информации. Реализация указанного радиохимического способа мониторирования потока быстрых протонов заключается в следующем: жидкость галоген-гексан заливается в ампулу и помещается в зону с потоком протонов. Под действием протонов в активном веществе галоген-гексана происходят ядерные реакции, продуктом которых является радиоактивный инертный газ, который под действием продувки гелием выходит из жидкости галоген-гексана в промежуточный объем. Смесь гелия и образовавшегося радиоактивного инертного газа после очистки от посторонних примесей в геттере поступает либо в газоразрядный счетчик, либо на полупроводниковый детектор, где производится регистрация распадов радиоактивного газа. Выбор детектора распадов производится в зависимости от моды распада образовавшегося радиоактивного газа (см. табл. 1). Если основная мода распада электронный захват или β⁺, то регистрация проводится в газоразрядном счетчике, если же мода распада - γ кванты, то регистрация производится полупроводниковым детектором.

В стационарном режиме облучения ампулы (при постоянном потоке протонов Φ и постоянном расходе L газа носителя) вся вновь образовавшаяся активность сверх равновесной удаляется из объема V_a ампулы током транспортного газа. Поэтому скорость счета N_c распадов радиоактивных атомов в детектирующей системе пропорциональна величине протонного потока Ф и связана с ним соотношением:

где V_c - объем детектирующей системы (см³), N₀ - число атомов активного вещества в ампуле, λ=2π/Т_1/2 - постоянная распада инертного радиоактивного газа (сек^-1), T_1/2 - период полураспада радиоактивного инертного газа в сек, σ - усредненное по спектру протонов сечение ядерной реакции образования радиоактивного инертного газа (см²), Φ - поток протонов (протон/см²/сек), L - расход транспортного газа (см³/сек).

Выражение (1) применимо при V_a/L<<T_1/2, где Т_1/2 - период полураспада радиоактивного инертного газа в сек.

Для того чтобы радиоактивный инертный газ в процессе его выхода из активного вещества и переноса его транспортным газом не распался в пути до системы регистрации, должно также выполняться условие:

где t_выхода - среднее время выхода радиоактивного инертного газа из активного вещества после образования в результате ядерных реакций под действием протонов, a t_{b пути} - время транспортировки радиоактивного инертного газа из зоны облучения до детектирующей системы.

Использование в качестве активного вещества согласно способу смеси жидкостей активных веществ с разным изотопным составом позволяет обеспечить при мониторировании потока протонов также и спектрометрию протонов с учетом порогов реакций и периода полураспада газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций (см. табл. 1).