Детектор нейтронів

Детектор нейтронів на основі сполуки L12B4O7, який відрізняється тим, що сполуку L12B4O7 використано у вигляді вирощеного монокристала, збагаченого до рівня 95-96% ат ізотопом 6І_і та 9697% ат ізотопом 10 В Винахід відноситься до нейтронної радіометри, а саме для реєстрації теплових нейтронів, і може застосовуватись для реєстрації швидких нейтронів з використанням нейтронних сповільнювачів необхідної товщини Відомо, ЩО ДЛЯ вимірювання характеристик різних видів іонізуючих випромінювань, в тому числі і нейтронів, а також визначення кількісної міри взаємодії випромінювань з речовиною, використовують детектори з різноманітними блоками детектування, які складаються з робочого тіла, де поглинута енергія іонізуючого випромінювання перетворюється в світлову енергію, і реєструючої системи, де ця світлова енергія перетворюється в ПОСЛІДОВНІСТЬ електричних імпульсів, число яких є пропорційним до досліджуваної характеристики випромінювання або до поглинутої в середовищі енергії випромінювання Найперспективнішими, на даний час, вважаються твердотільні детектори, в яких робочим тілом блоку детектування є речовина в твердому стані лових нейтронів Оскільки органічні сполуки мають низьку температуру розм'якшення разом з тенденцією до швидкого старіння, а також високу чутливість до увипромінювання, такі детектори мають суттєво обмежений температурний і часовий діапазон застосування Відомий твердотільний детектор теплових нейтронів на базі неорганічного сцинтилятора, в якому використовують, як робоче тіло, монокристал 6LiJ(Eu) [V D Ryzhikov, V V Chemikov, E A Danshin, E A Losseva, N N Smirnov, О V, Zelenskaya -Thermal neutron flux measurements using Відомий твердотільний детектор швидких нейтронів на базі органічного сцинтилятора [В Н Корнилов, В В Максимов - Сцинтиляционный датчик протонов и нейтронов - ПТЭ - 2001 - №2, - С 96100 ], в якому використовують, як робоче тіло, органічну сполуку, зокрема, метилметакрилат, де випромінювання відбувається після ударної взаємодії нейтронів з атомами водню, в результаті якої утворюються протони віддачі з великою енергією, що спричиняє сцинтиляції, а для реєстрації сцинтиляцій використовують фотоелектронний помножувач 3 добавками метилборату енергетичний діапазон таких детекторів розширюється до теп Оскільки монокристали LiJ є відомими детекторам у-квантів, згадані детектори на основі монокристалів 6LiJ(Eu) мають підвищену чутливість до у-випромінювання, що ускладнює їхнє використання при реєстрації теплових нейтронів Найближчим за технічною суттю до пропонованого - прототипом є твердотільний детектор нейтронів, що включає використання полікристалічного тетраборату ЛІТІЮ -L12B4O7 з природнім роз detector 6 LIJ(EU)-SI-PIN-PD and a charge-sensitive preamplifier - Functional Materials 2000 - v 7, N1 P168], де випромінювання світла відбувається після захоплення теплового нейтрона ядром 6І_і і наступної ядерної реакції 6І_і(п,а) з викидом ачастинки, що спричиняє спалах, а для реєстрації світлового випромінювання використовують Si-PIN - фотодюди поділом стабільних ІЗОТОПІВ ЛІТІЮ та бору ( І_і 7 42%, 7І_і - 92 58%, 10 В - 19% і 11 В - 81%), вкрапленого в органічний сцинтилятор - полістирен [Е Е ю (О 61512 Barom, D V Viktorov, I M Rozman, V M Shontya Nuclear Electronics, - 1962 - v1,N1, - P131 ], де випромінювання світла відбувається після захоплення теплових нейтронів ядрами 6І_і або 10 В у вкраплених мікрочастинках L12B4O7 і наступної ядерної реакції 6І_і(п,а) чи 10В(п,а) з викидом ачастинок, що спричиняють спалахи в органічному сцинтиляторі - полістирені, які реєструються ФЕП Через використання L12B4O7 у вигляді окремих вкраплених мікрочастинок з природнім розподілом Ізотопів 6І_і і 10 В їх кінцева концентрація в детекторі є низька ВІДПОВІДНО НИЗЬКОЮ Є чутливість детектора, а наявність органічного сцинтилятора додатково накладає обмеження діапазону робочих температур (температура розм'якшення полістирена 140°С) В основу винаходу поставлено завдання удосконалити детектор нейтронів шляхом використання сполуки L12B4O7 з покращеними властивостями, що дозволить підвищити чутливість детектора і значно розширити діапазон робочих температур Поставлене завдання вирішується так, що в детекторі нейтронів на основі сполуки L12B4O7 використано сполуку L12B4O7 у вигляді вирощеного монокристала, збагаченого до рівня 95 - 96% ат ізотопом 6І_і та 96 - 97% ат ізотопом 10 В Відомо, ЩО детектування теплових нейтронів із застосуванням ІЗОТОПІВ 6І_І ЧИ 10 В полягає в захопленні теплового нейтрона ядром 6І_і чи 10 В, з наступною ядерною реакцією 6 Li 3 + +n°VH + 1 + 4 He + i +4,5MeV, Ec=1 92МеВ, 6 [ І_і(п,а)], чи 10 +5 V +n o Vl_i +3 + 4 He +2 +2,8MeV, Еа=1 78МеВ, Ґ°В(п,а)], що відбувається з виділенням а-частинки і наступною реєстрацією цього процесу Через те, що обидва ізотопи 6І_і і 10 В знаходяться у вузлах кристалічної ґратки монокристала L12B4O7, реєстрація випадку ядерної реакції 6І_і(п,а) 10 чи В(п,а) відбувається через збудження електронної системи кристалічної ґратки монокристала шляхом передачі їй кінетичної енергії а-частинки і ядер віддачі, з наступним висвічуванням (сцинтиляцією) за механізмом остовної люмінесценції Висока чутливість до теплових нейтронів такого детектора забезпечується високими значеннями а - поперечного перерізу захоплення теплових нейтронів ядрами І_і чи 10 В (для ядер 6І_і а=900барн, а для ядер 10 В а=4000барн), значною густиною ядер Ъ (1,7 1022см 3) і 10 В (3,5 1022см 3) в кристалічній гратці L12B4O7 і відсутністю поглинання та розсіювання світла монокристалом в області люмінесцентного випромінювання Підвищення робочої температури забезпечується високою термостійкістю монокристалів (температура плавлення 917°С), але обмежується температурою гасіння люмінесценції у цьому кристалі (вище 400°С) Виявлена дуже слабка взаємодія монокристалів L12B4O7 з іонізаційним випромінюванням електромагнітного походження - рентгенівським і увипромінюванням, робить запропонований детектор слабо чутливим до цих типів радіації Авторами вперше запропоновано використати вирощені монокристали L12B4O7 з підвищеним вмістом ІЗОТОПІВ 6І_і і 10 В для виготовлення нейтронних детекторів, що дозволяє в змішаних полях іонізуючих випромінювань виокремити нейтрони і може бути корисним при ядерно-фізичних дослідженнях нейтронних полів різного природного та техногенного походження На рисунку зображена схема детектора теплових нейтронів, де 1 - відполірована з обох сторін циліндрична пластина з монокристалу L12B4O7 ВІДПОВІДНОГО ІЗОТОПНОГО складу товщиною 1см і діаметром 30мм, 1 - світлопровід, 3 - фотоелектронний помножувач, 4 - блок живлення фотоелектронного помножувача,, 5 - блок реєстрації електричних сигналів від фотоелектронного помножувача Виготовлення детектора полягає в наступному Синтезують сполуку L12B4O7 з вихідних реактивів 6І_і2СО3 з 95-96% ат ізотопу 6І_і та Н310ВО3 з 9610 97% ат ізотопу В методом твердофазного синтезу Межі рівня ізотопного збагачення вибрані з технічно доступних можливостей Збагачений ізотопами 6І_і і 1 В монокристал L12B4O7 вирощують з розплаву методом Чохральського (Р Лодиз, Р Паркер - Рост кристаллов - «Мир», М 1974) З отриманого монокристала L12B4O7 вирізають робочу пластину товщиною 1см і діаметром 30мм, який визначається використаним фотоелектронним помножувачем ФЕП-39 Дві протилежні робочі поверхні шліфують і полірують до оптичної якості Одну поліровану поверхню робочої пластини із забезпеченням оптичного контакту приклеюють до поверхні реєструючого світло пристрою (ФЕП), або до поверхні світлопроводу (якщо підвищена температура чи ІНШІ фактори, не сприяють роботі ФЕП) Після під'єднаний ФЕП до апаратури, що реєструє електричний сигнал, детектор готовий до реєстрації теплових нейтронів Процес детектування теплових нейтронів відбувається так готовий детектор розташовують у тих точках, де передбачають наявність теплових нейтронів Спалахи світла, спричинені в монокристалі L12B4O7 ядерними реакціями 6І_і(п,а) чи 10В(п,а) перетворюються за допомогою фотоелектронного помножувача в електричні сигнали, які можна реєструвати Застосування осцилографа чи лічильника сигналів дозволяє реєстрацію окремих нейтронів, а інтегрування сигналів дозволяє визначати густину потоку нейтронів При цьому чутливість детектора до теплових нейтронів зростає не менше ніж в 5 разів, а робочий діапазон температур розширюється до 400°С і є вищими у порівнянні з прототипом 61512 Комп'ютерна верстка О В Кураєв Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119