Патент на изобретение №2371740

(54) ГОДОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к области обнаружения радиоактивных материалов и источников. Технический результат – повышение чувствительности обнаружения источников быстрых и тепловых нейтронов, уменьшение чувствительности к фоновому гамма-излучению, повышение точности определения направления на источник, особенно в случае источника тепловых нейтронов, упрощение технологии изготовления блока годоскопа. Годоскоп для тепловых нейтронов, оптические элементы которого выполнены из несцинтиллирующих оптически прозрачных элементов, по крайней мере, одна из граней каждого элемента покрыта сцинтиллятором для регистрации тепловых нейтронов, фотодиоды соединены с входами схем совпадений, выходы которых соединены с входами контроллера, а выходы контроллера соединены с входом компьютера. 4 ил.

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, конкретно к исследованию или анализу предметов радиационными методами для обнаружения радиоактивных материалов и источников.

Известен оптический преобразователь для обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Работа блока основана на рождении протонов отдачи в материале элемента, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником. Патент Российской Федерации 2119178, МПК: G01T 3/06, Бюл. 26, 1998.

Недостатки этого оптического преобразователя заключаются в том, что он позволяет регистрировать только быстрые нейтроны и не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения. Размеры элементов ограничены и представляют собой волокна с поперечным размером не более 1 мм.

Известен годоскоп, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, в котором сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде покрытых светоотражающей оболочкой стержней с прямоугольным сечением a·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b – по высоте, n·а – по ширине и длиной m·а, где а – ширина стержня пакета, b – высота стержня пакета, k – количество стержней по высоте пакета, n – количество стержней по ширине пакета, m – количество стержней по длине пакета, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов соединены со входами схем совпадений, выходы которых соединены со входами контроллера, а выходы контроллера соединены со входом компьютера. Патент Российской Федерации 2308741, МПК: G01Т 3/06, 2007 г. Прототип.

Недостатком прототипа является сравнительно высокая чувствительность к фоновому гамма излучению, связанная с использованием пластмассового сцинтиллятора, низкая чувствительность обнаружения источника тепловых нейтронов в связи со сравнительно малым количеством используемых для их регистрации пластин, ошибки при идентификации источника быстрых нейтронов в присутствии гамма излучения, низкая чувствительность обнаружения источника быстрых нейтронов в связи с малым сечением рождения протонов отдачи и малой их средней энергией, ошибки при идентификации источника быстрых нейтронов в присутствии гамма излучения.

Изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности обнаружения источников быстрых и тепловых нейтронов, уменьшение чувствительности к фоновому гамма излучению, повышение точности определения направления на источник, особенно в случае источника тепловых нейтронов, упрощение технологии изготовления блока годоскопа.

Технический результат достигается тем, что в годоскопе для тепловых нейтронов, содержащем водородосодержащие оптические элементы, уложенные рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выполненные в виде стержней с прямоугольным сечением а·b, причем стержни скомпонованы в пакет размерами k·b – по высоте, n·а – по ширине и длиной m·а, где a – ширина стержня, b – высота стержня, k – количество стержней по высоте пакета, n – количество стержней по ширине пакета, m – количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены спектросмещающие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, оптические элементы годоскопа выполнены из несцинтиллирующих оптически прозрачных элементов, по крайней мере, одна из граней которых покрыта сцинтиллятором для регистрации тепловых нейтронов, фотодиоды соединены с входами схем совпадений, выходы которых соединены с входами контроллера, а выходы контроллера соединены с входом компьютера.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлен стержень с сечением размером а×b (а – ширина стержня, b – высота стержня), где: 1 – оптические несцинтиллирующие стержни, 2 – спектросмещающие волокна, 3 – сцинтиллятор для тепловых нейтронов.

Спектросмещающие волокна 2 служат для сбора света от люминесцентных вспышек, возникающих в сцинтилляторах 3, и выведения света на фотодиоды, которые расположены на концах волокон 2 (фотодиоды на фигурах не обозначены позицией).

В случае удаленных фотоприемников спектросмещающие волокна 2 стыкуют со светопроводящим волокном во избежание больших потерь света. Снаружи стержни покрыты светонепроницаемым материалом для предотвращения попадания в них внешнего света.

На фиг.2 схематично представлен блок годоскопа, где: 1 – оптические стержни, уложенные рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, выполненые из оптического оргстекла и 2 – спектросмещающие волокна.

На фиг.3 представлена структурная схема регистрации, где: пакет оптических стержней 1, спектросмещающие волокна 2 с фотодиодами и схемой совпадений 4 представляют собой блок годоскопа 5, 6 – контроллер, 7 – компьютер.

На фиг.4 представлено пространственное распределение сигнала, полученное со стержней 1 годоскопа 5 для источника спектра деления ²³⁵U (средняя энергия около 2 МэВ), Pu-Ве источника (средняя энергия 5,4 МэВ) и тепловых нейтронов (средняя энергия 0,025 эВ), падающих на боковую поверхность годоскопа 5. Пространственное распределение сигнала зависит от спектра нейтронного излучения. В случае быстрых нейтронов максимум распределения тем дальше от облучаемой грани, чем выше средняя энергия. Оптические стержни 1 выполнены из водородосодержащего вещества и служат замедлителем быстрых нейтронов. Свет от окружающего оптический стержень 1 сцинтиллятора 3 собирают с помощью спектросмещающего волокна 2.

Быстрые нейтроны внешнего источника замедляются в стержнях 1 и при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода теряют свою энергию (термализуются), рождают тепловые нейтроны, которые захватываются веществом сцинтиллятора 3 и возбуждают его свечение, свет собирают с помощью спектросмещающего волокна 2 и транспортируют к фотодиодам, включенным в схему совпадений 4, служащую для подавления шумов устройства.

Сигнал с фотодиодов поступает на схему совпадений 4. Схема совпадений 4 включает в себя двухканальный усилитель, два резистивных делителя напряжения для подбора напряжения питания в диапазоне 50-60 вольт независимо для каждого из двух фотоприемников и временные ворота. Использование временных ворот позволяет уменьшить количества ложных событий, обусловленных фоновым сигналом с фотоприемника. При временном окне 10-20 нс количества ложных событий может быть уменьшено до одного за 1000 с.

Сигналы со схемы совпадений 4 поступают на вход контроллера 6. Контроллер 6 опрашивает выходные регистры схемы совпадений 4, осуществляет первичную обработку полученной информации и передает ее в компьютер 7, в котором производится анализ информации.

Тип источника (среднюю энергию) определяют по положению максимума пространственного распределения сцинтилляционного сигнала, получаемого отдельно с каждого из стержней.

Форма пространственного распределения для известных источников быстрых нейтронов, а также для источника тепловых нейтронов определена и теоретически, и экспериментально.

Есть также возможность обнаружения источника в случае наличия тепловых и быстрых нейтронов.

Понижается чувствительность к фоновому гамма-излучению из-за отсутствия сцинтиллирующей пластмассы. В связи с этим повышается чувствительность при обнаружении слабого источника быстрых нейтронов. Более высокая эффективность регистрации быстрых нейтронов достигается за счет их замедления и последующей регистрации тепловых нейтронов, для которых сечение используемой ядерной реакции составляет несколько сотен барн и на несколько порядков выше, чем сечение рассеяния быстрого нейтрона на водороде, которое составляет несколько барн.

Оптимальная толщина сцинтиллятора до 400 мкм в случае ⁶LiFZnS:Ag и около 1 мм в случае ⁶LiI.

Формула изобретения

Годоскоп для тепловых нейтронов, содержащий водородосодержащие оптические элементы, уложенные рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, выполненные в виде стержней с прямоугольным сечением a·b, причем стержни скомпонованы в пакет размерами k·b по высоте, n·a – по ширине и длиной m·a, где a – ширина стержня, b – высота стержня, k – количество стержней по высоте пакета, n – количество стержней по ширине пакета, m – количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены спектросмещающие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, отличающийся тем, что оптические элементы годоскопа выполнены из несцинтиллирующих оптически прозрачных элементов, по крайней мере, одна из граней каждого элемента покрыта сцинтиллятором для регистрации тепловых нейтронов, фотодиоды соединены с входами схем совпадений, выходы которых соединены с входами контроллера, а выходы контроллера соединены с входом компьютера.

РИСУНКИ