Спосіб реєстрації швидких нейтронів

1. Спосіб реєстрації швидких нейтронів, заснований на механізмі непружного розсіювання швидких нейтронів у матеріалі конвертора, що включає перетворення каскаду гамма-квантів, що утворюються в результаті непружного розсіювання C2 2 (19) 1 3 змірами 30х900 мм, що розміщені у поліетиленовому уповільнювачі. Ефективність реєстрації швидких нейтронів з використанням наведеного способу - 8 %. Чутливість детекторної панелі з розмірами 120х100х1000 мм становить 350 2 імп.см /нейтронс, вага 130 кг. Є відомим спосіб реєстрації швидких нейтронів [Проспект фірми NUCSAFE ins. Last modified, October 29, 2007], заснований на механізмі пружного розсіювання швидких нейтронів у матеріалі, що містить водень, з наступною реєстрацією "теплових" і «повільних» нейтронів сцинтиляційним скловолокном, розміщеним у матеріал, що містить водень. Сигнали, зареєстровані в сцинтиляційному скловолокні, підсилюють до необхідного рівня, формують лічильні імпульси із частотою, пропорційною потоку нейтронів і реєструють нейтрони по відповідному алгоритму. Однак, як і в першому способі, для забезпечення високої чутливості до швидких нейтронів даний спосіб також вимагає застосування уповільнювача-матеріалу, що містить водень, тому що сцинтиляційне скловолокно має низьку чутливість до швидких нейтронів, тому для забезпечення необхідної чутливості доводиться застосовувати детекторні панелі великого об'єму, площі й, відповідно, ваги. Ефективність реєстрації швидких нейтронів даним способом також не перевищує 8 %. Чутливість детекторної панелі площею від 1000 2 2 до 6000 см становить ~300 імп.см /нейтронс. Є відомим спосіб реєстрації швидких нейтронів [M. Anelli., G. Battistoni, C. Bini, et. al. Measurement and simulation of the neutron response and detection efficiency of a Pb-scintillating fiber calorimeter. Nuclear Instruments and Metods in Physics Reasearch A 581 (2007) 368-372], заснований на механізмі непружного розсіювання швидких нейтронів у свинці, що використовується як конвертер. При цьому використовують 200 шарів свинцевої фольги товщиною 0,5 мм, у канавках якої розміщають волоконні органічні сцинтилятори та реєструють сигнали, що виникають у результаті взаємодії органічних волоконних сцинтиляторів з каскадами гамма-квантів, що утворяться в результаті непружного розсіювання нейтронів у свинцевій фользі (конверторі). Далі здійснюють повний їхній аналіз із подальшим перетворенням отриманої інформації в цифровий код за допомогою 40+40 блоків аналого-цифрових перетворювачів. Записують отриманий масив даних на цифровий носій інформації й обробляють отриману інформацію з використанням потужних ЕОМ. Потім формують лічильні імпульси із частотою, пропорційною потоку нейтронів, розраховують швидкість лічення залежно від потоку нейтронів і реєструють нейтрони по відповідному алгоритму. Однак, даний спосіб реєстрації швидких нейтронів є досить складним і трудомістким, тому що вимагає проведення повного аналізу всіх сигналів, що виникають в результаті взаємодії швидких нейтронів з конвертором (наявність якого збільшує розміри детектора), попереднього запису проміжних даних на носій інформації, з наступною обробкою даних з використанням потужних ЕОМ, що робить цей спосіб непридатним для використання 96428 4 в системах виявлення радіоактивних матеріалів, що працюють у реальному часі. Як прототип нами вибраний останній з аналогів. В основу даного винаходу поставлено задачу розробки більш простого способу реєстрації швидких нейтронів для систем виявлення радіоактивних матеріалів без використання систем, що уповільнюють нейтрони, що працюють у реальному часі, і такого, що має підвищену ефективність їх реєстрації. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в способі реєстрації швидких нейтронів, що базується на механізмі непружного розсіювання швидких нейтронів у конверторі, що містить в собі перетворення каскаду гамма-квантів, що утворюються в результаті непружного розсіювання швидких нейтронів у матеріалі конвертора в серію світлових спалахів сцинтилятором, обробку сигналів, отриманих при реєстрації зазначених світлових спалахів, формування лічильних імпульсів із частотою, пропорційною потоку нейтронів і реєстрацію швидких нейтронів по відповідному алгоритму, відповідно до винаходу, використовують неорганічні сцинтилятори з високим ефективним атомним номером, як матеріал конвертера, що забезпечує непружне розсіювання швидких нейтронів, використовують матеріали з високим атомним номером, що входять до складу зазначених сцинтиляторів, обробку отриманих сигналів здійснюють шляхом їхнього інтегрування зі сталою інтегрування 30 мкс, а формування лічильних імпульсів здійснюють шляхом відбору проінтегрованих сигналів в енергетичному діапазоні 10-300 кеВ. Неорганічним сцинтилятором, у якому як конвертор використаний матеріал з високим ефективним атомним номером, є кристали германату кадмію (BGO), силікату гадолінію (GSO), вольфрамату цинку (ZnWO), вольфрамату кадмію (CWO), йодиду цезію, активованого талієм (CsI(Tl)), йодиду натрію, активованого талієм (NaI(Tl)), йодиду літію, активованого європієм (LiI(Eu)). На відміну від прототипу, у якому каскади гамма-квантів виникають у результаті непружного розсіювання нейтронів у свинцевій фользіконверторі, як окремому елементі конструкції детектора, а світлові спалахи виникають у результаті взаємодії гамма-квантів із органічними сцинтиляторами, у пропонованому способі використовують каскади гамма-квантів, що виникають у результаті непружного розсіювання швидких нейтронів на ядрах матеріалу з високим атомним номером, що входять до складу зазначених неорганічних сцинтиляторів, а світлові спалахи виникають у результаті взаємодії «внутрішніх» гамма-квантів, що утворюються, з матеріалом цього ж сцинтилятора. Таким чином, використання механізму непружного розсіювання дозволяє в одному сцинтиляційному кристалі реалізувати дві функції, що у свою чергу виключило необхідність у використанні додаткового матеріалу конвертора, а це дозволило істотно спростити конструкцію детектора й підвищити ефективність реєстрації швидких нейтронів. Каскади гамма-квантів, що виникають, мають 5 96428 різні значення енергій і різні часи запізнення гамма-квантів щодо моменту часу взаємодії нейтрона -9 -6 із зазначеною речовиною (Тзап. = 110 - 1,310 с.). Тому, для того щоб одержати однозначну відповідність факту взаємодії швидкого нейтрона з матеріалом конвертора й появи лічильного імпульсу в блоці електронної обробки, як показали експерименти, постійна часу інтегрування повинна бути не менш 30 мкс. Відомо, що джерела нейтронів одночасно є досить інтенсивними джерелами гаммавипромінювання. У той же час, неорганічні сцинтилятори мають підвищену ефективність реєстрації гамма-випромінювання, у тому числі і фонового. Тому для роздільної реєстрації нейтронів спосіб передбачає використання свинцевого захисту від низькоенергетичного гамма-випромінювання. Від гамма-квантів високих енергій захист забезпечується обмеженням діапазону енергій, що реєструються - 10-300 кеВ. У таблиці наведені значення повної ефективності реєстрації швидких нейтронів для деяких типів неорганічних сцинтиляторів, знайдених експериментально, з використанням запропонованого 6 способу реєстрації у порівнянні з аналогами. Запропонований спосіб реалізують так. Для реєстрації швидких нейтронів використовують детектор на основі неорганічного сцинтилятора, наприклад силікат гадолінію, оптично зв'язаного з фотодіодом, що підключений до блока обробки сигналу. Під дією швидких нейтронів у матеріалі конвертора, яким у цьому випадку є гадоліній (елемент з високим атомним номером), у результаті непружного розсіювання швидких нейтронів виникає каскад гамма-квантів, які у свою чергу в матеріалі цього ж сцинтилятора перетворяться в серію світлових спалахів, які реєструють фотодіодом. У блоці обробки сигналу від цих спалахів здійснюють їхнє інтегрування зі сталою інтегрування 30 мкс, а формування лічильних імпульсів здійснюють шляхом відбору проінтегрованих сигналів в енергетичному діапазоні 10-300 кеВ за допомогою відповідного алгоритма. При використанні інших вказаних сцинтиляторів, реалізація способу аналогічна наведеному прикладу. Таблиця 3 Питома вага, г/см Еф. атом. номер Эф.реєстр - повна, % NaJ LiJ Csl GSO ZnWO CWO BGO 3,67 4,08 4,51 6,71 7,87 7,9 7,13 51 52 54 59 61 66 75 47 44 48 59 58 59 60 У дослідженнях використовувалося плутоній239 берилієве джерело Pu-Be № 577-68, яке забезпечує на відстані r=300 мм щільність потоку швидn   9,37 c  cm 2 . ких нейтронів Експериментальні дані, які наведені в таблиці свідчать про те, що повна ефективність реєстрації швидких нейтронів, одержана для різних кристалів з використанням запропонованого способу в діапазоні енергій реєстрації гамма-випромінювання 10-300 кеВ виявилася в межах від 40 до 60 %, що добре узгоджується з результатами, отриманими в прототипі (50 %) і істотно вище за ефективність реєстрації швидких нейтронів, одержаних з використанням існуючих способів-аналогів (8 %). За Комп’ютерна верстка А. Крулевський Прототип (Pb) 5 82 50 Аналог 1 Аналог 2 8 8 стосування оригінального способу обробки первинних сигналів дозволило спростити методику одержання кінцевих даних, що забезпечило можливість використання запропонованого способу реєстрації швидких нейтронів у системах виявлення радіоактивних речовин, що працюють у реальному часі. Використання запропонованого способу, заснованого на механізмі непружного розсіювання в сцинтиляторах з високим ефективним атомним номером, дозволяє застосовувати для реєстрації швидких нейтронів навіть такі сцинтилятори, як Cs(Tl), Na(Tl), які традиційно використовувалися для реєстрації -, - і гамма-випромінювання (див. табл.). Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601