Малогабаритний детектор швидких і теплових нейтронів

УКРАЇНА (19) UA (11) 92193 (13) C2 (51) МПК G01T 1/202 (2006.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) МАЛОГАБАРИТНИЙ ДЕТЕКТОР ШВИДКИХ І ТЕПЛОВИХ НЕЙТРОНІВ 1 2 (13) 92193 (11) го МКС-А 03-1. Прилад призначений для контролю за переміщенням ядерних і радіоактивних матеріалів, моніторингу територій і використовується в пересувних радіологічних лабораторіях, на митних пропускних постах, підприємствах ядерного циклу, військових об'єктах, АЕС і т.д. Діапазон виміру потужності дози нейтронного випромінювання 11∙10-4мкЗв/год у діапазоні енергій l∙10-3-14МеВ, габарити детектора з уповільнювачем 232*232*282 мм, вага - 6,1кг. Відомий детектор швидких і теплових нейтронів БДІШ-07 [Каталог «Прилади радіаційного контролю», НПЧП « Спаринг-Віст», Україна. Львів. 2002-2008р.] на основі лічильника Не-3, що входить до складу дозиметра-радіометра пошукового МКС-07 або дозиметра-радіометра універсального МКС-У. Детектор має чутливість до теплових нейтронів 13імп∙см2/нейтрон, а до швидких 4,5имп∙см2/нейтрон. Габарити блоку детектування з основним уповільнювачем (76×175мм, вага 0,8кг. Розміри додаткового уповільнювача 215×295×270мм. Вага - 8кг. Відомий детектор швидких і теплових нейтронів БД-04 [Каталог «Устаткування радіаційного контролю». СП «ПОЛІМАЙСТЕР», Республіка Білорусь, 2005р], що входить до складу радіометраспектрометра універсального МКС-РМ 1402М. Призначення приладу - пошук джерел радіації й UA Винахід відноситься до області створення нових високоефективних типів детекторів нейтронного випромінювання для переносних приладів виявлення джерел радіоактивного забруднення й наявності радіоактивних матеріалів в об'єктах, призначений для приладів вторинного радіаційного контролю джерел випромінювання, виявлених при первинному контролі стаціонарними системами виявлення несанкціонованого переміщення радіаційних матеріалів. Відповідно до інструкцій по контролю за переміщенням радіоактивних матеріалів, що діляться, через контрольно-пропускні пункти міжнародних кордонів, у випадку реєстрації сигналу "Тривога" при перетину лінії контролю контрольованого об'єкта, об'єкт повинен пройти більш детальний контроль з використанням спеціальних портативних приладів радіоактивного контролю. У всіх відомих дотепер приладах, які застосовують з цією метою, використовують детектори швидких і теплових нейтронів на основі малогабаритних лічильників (Не-3) або сцинтиляторів LiI(Eu), що розташовані в уповільнювачі. Відомий детектор швидких і теплових нейтронів БДН- 06-01 [Каталог «Спектрометри для ядерних випромінювань», НПЦ «АСПЕКТ», Дубна. Росія. 2008р.], на основі лічильника Не-3, що входить до складу радіометра-спектрометра універсально C2 US 6448559 B1; 10.09.2002 US 20030159643 A1; 28.08.2003 SU 1515796 A1; 13.01.1988 (57) Малогабаритний детектор швидких і теплових нейтронів, що містить датчик, виконаний на основі неорганічного сцинтилятора, оптично з'єднаного з фотодіодом, який з'єднано з блоком попередньої обробки сигналу, який відрізняється тим, що датчик розташований у свинцевому захисті, сцинтилятором є кристал силікату гадолінію або вольфрамату кадмію, фотодіод є лавинним фотодіодом, а блок попередньої обробки сигналу містить в собі підсилювач-формувач сигналу й мікропроцесор з вбудованим аналого-цифровим перетворювачем. (19) (21) a200805809 (22) 11.06.2008 (24) 11.10.2010 (46) 11.10.2010, Бюл.№ 19, 2010 р. (72) ГРИНЬОВ БОРИС ВИКТОРОВИЧ, РИЖИКОВ ВОЛОДИМИР ДІОМИДОВИЧ, НАГОРНА ЛЮДМИЛА ЛАВРЕНТІЇВНА, ОНИЩЕНКО ГЕННАДІЙ МИХАЙЛОВИЧ, ПІВЕНЬ ЛЕОНІД ОЛЕКСІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАН УКРАЇНИ (56) RU 31659 U1; 20.08.2003 RU 2005109277 A; 10.09.2006 SU 1457604 A1; 15.09.1992 RU 2046371 C1; 20.10.1995 UA 15327 A; 30.06.1997 3 нейтронного випромінювання. Чутливість детектора для швидких нейтронів- 0.56імп∙см2/нейтрон. Габаритні розміри з уповільнювачем (59×207мм, вага - 0.49кг). Конструкція наведених детекторів аналогічна й містить елемент, чутливий до теплових нейтронів і уповільнювач. Детектор складається з поліетиленового уповільнювача, у якому розміщений заповнений гелієм лічильник теплових нейтронів. Потік швидких нейтронів падає на уповільнювач, у якому відбувається їхнє уповільнення до рівня теплових енергій, які потім реєструються лічильником. Сигнали з виходу лічильника подаються на блок обробки сигналу приладу. Детектори на основі Не-3 мають досить високу (до 80%) ефективність реєстрації теплових нейтронів, що в принципі дає можливість створення досить малогабаритних високочутливих детекторів теплових нейтронів для систем виявлення. Однак їм притаманні ряд недоліків, як конструктивних, так і принципових. Найбільш істотним з них є той, що ці детектори мають дуже низьку (0,8%) ефективність реєстрації швидких нейтронів, тому для підвищення чутливості до швидких нейтронів (це основна вимога, що пред'являється до детекторів для систем виявлення) доводиться використовувати уповільнювачі, що істотно збільшує габарити й вагу. Як відомо, ефективність таких детекторів не перевищує 10%, тому для впевненого виявлення досить малих потоків швидких нейтронів доводиться застосовувати детекторні збірки порівняно великих розмірів, площі. Відомий малогабаритний детектор швидких і теплових нейтронів РМ 1703ГН [Каталог «Устаткування радіаційного контролю». ЗАТ НПП «ДОЗА», Москва - Зеленоград. Росія. 2005p.], що входить до складу індикатора-сигналізатора пошукового ИСП-РМ 1703 ГН, призначеного для потайного виявлення джерел гамма й нейтронного випромінювання. Детектор містить датчик і уповільнювач. Уповільнювач виконаний з поліетилену, у якому розташований датчик на основі сцинтилятора LiI(Eu), оптично з'єднаного з фотодіодом. Сигнали з виходу фото діода підсилюються підсилювачем і, потім подаються на вхід блоку обробки сигналу. Чутливість такого детектора для теплових нейтронів не менш 1.3 імп-см2/нейтрон, а для швидких 0.05імп∙см2/нейтрон. Габарити детектора без уповільнювача Ø218×14мм., вага - 0.05кг. Використання сцинтилятора LiI(Eu), з'єднаного с фотодіодом дозволило значно знизити габарити й вагу самої детекторної головки. Однак низька ефективність реєстрації швидких нейтронів також вимагає застосування уповільнювача. Як прототип нами обраний останній з аналогів. В основу даного винаходу поставлене завдання створення малогабаритного детектора швидких і теплових нейтронів для переносних пошукових приладів виявлення радіоактивних матеріалів, що мають підвищену ефективність реєстрації нейтронів, без використання систем, що уповільнюють. Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що в малогабаритному детекторі швидких і теплових нейтронів, що містить датчик, вико 92193 4 наний на основі неорганічного сцинтилятора, оптично з'єднаного з фотодіодом, і блок попередньої обробки сигналу, відповідно до винаходу, сцинтилятором є кристал силікату гадолінію (GSO) або вольфрамату кадмію (CWO), що оптично з'єднаний з лавинним фотодіодом і розташований у свинцевому захисті, а блок попередньої обробки сигналу містить в собі підсилювач-формувач сигналу й мікропроцесор з вбудованим аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). У запропонованій конструкції в одному сцинтиляторі реалізується два процеси: непружне розсіювання швидких нейтронів на матеріалі сцинтилятора із прямою реєстрацією продуктів ядерних реакцій і радіаційний захват теплових нейтронів елементами гадолінію або кадмію, що входять до складу цих же сцинтиляторів і які мають високий ефективний переріз захвату теплових нейтронів. Це дозволило реалізувати і спосіб реєстрації швидких і теплових нейтронів, який базується на механізмі непружного розсіювання швидких нейтронів. Можливість реєстрації обох видів нейтронів одним сцинтилятором виключило необхідність у використанні уповільнювачів, на відміну від аналогів і прототипу. Це, у свою чергу, дозволило зменшити габарити детектора. Використання лавинного фотодіода, свинцевого захисту, підсилювача-формувача сигналу й мікропроцесора з вбудованим АЦП у блоці попередньої обробки сигналу в сукупності забезпечило можливість селективної реєстрації нейтронів на фоні супутнього гамма-випромінювання з високою ефективністю (див. табл.). На фіг. наведений ескіз основних елементів конструкції запропонованого детектора, у таблиці наведені характеристики запропонованого детектора в порівнянні з аналогами. Малогабаритний детектор швидких і теплових нейтронів (фіг.) містить в собі: неорганічний сцинтилятор 1 з GSO або CWO і лавинний фотодіод 2, що розташовані у свинцевому захисті 3, і блок 4 попередньої обробки сигналу, що містить в собі підсилювач-формувач 5 сигналів, підключений до мікропроцесора 6 з вбудованим АЦП. Вихід блоку 4 попередньої обробки сигналу підключені до блоку обробки сигналів пошукового приладу виявлення РВ (на рис. не показаний). Пристрій працює в такий спосіб. При взаємодії швидких нейтронів з матеріалом, що входить до складу сцинтилятора 1 у результаті непружного розсіювання виникають каскади гамма-квантів з різними значеннями енергій і різних часів запізнювання гамма-квантів щодо моменту часу взаємодії нейтрона з ядром вказаного матеріалу (Тзап. від 1∙10-9 до 1,3∙10-6с). Ці внутрішні кванти гамми реєструються сцинтилятором, в результаті виникають серії світлових спалахів, які сприймаються лавинним фотодіодом 2. Сигнали з виходу лавинного фотодіода 2 потрапляють на вхід блоку 4 попередньої обробки сигналу і посилюються підсилювачем-формувачем 5 блоку 4. Для того, щоб одержати однозначну відповідність фактів взаємодії нейтрона і появи лічильного імпульсу, стала часу інтегрування сигналу підсилюва 5 92193 ча-формувача 5 вибрана для обох матеріалів однаковою, і достатньо великою ( 30мкс). 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 селективної реєстрації нейтронів на фоні супутнього гамма-випромінювання, у пристрої передбачений свинцевий захист 3 від низькоенергетичного гамма-випромінювання. Від гамма-квантів високих енергій передбачений захист шляхом обмеження діапазону енергій, що реєструються -(10-300кеВ) з використанням мікропроцесора 6 з вбудованим АЦП. З виходу підсилювача-формувача 4 імпульси, із середньою частотою надходження, пропорційною потоку нейтронів, що падає на робочу поверхню сцинтилятора, надходять на вхід мікропроцесора 5, де відбувається селекція по амплітуді за допомогою аналого-цифрового перетворювача, програмований вибір енергетичного діапазону реєстрації гамма-квантів (10-300кеВ), а також обчислення середньої швидкості лічення за обраний проміжок часу. 6 З виходу блоку 4 попередньої обробки сигнали подаються на вхід блоку обробки пошукового приладу виявлення, де по заданих алгоритмах вирішується завдання виявлення нейтронів. Теплові нейтрони реєструються в результаті реакції радіаційного захвату на елементах Gd, Cd, які входять до складу використаних сцинтиляторів і мають високий ефективний переріз захвату теплових нейтронів. Гамма-випромінювання, яке виникає при радіаційному захваті теплових нейтронів реєструються сцинтилятором. Подальша обробка сигналів аналогічна тій, що застосовується при реєстрації швидких нейтронів. Порівняльні дані по ефективності та чутливості, які наведені в таблиці, свідчать про те, що використання неорганічних сцинтилляторів типу GSO,CWO, оптично з'єднаного з лавинним фотодіодом і застосування способу реєстрації швидких нейтронів, який ґрунтується на механізмі непружного розсіювання на матеріалі сцинтилятора, забезпечило можливість підвищити ефективність реєстрації швидких нейтронів до 50% без використання уповільнювача. Детектор нейтронів з габаритами 20×20×17мм (виготовлений на основі сцинтилятора GSO розміром 10×10×10мм) по чутливості для швидких нейтронів перевершує близькі по розмірах аналоги приблизно в 50 разів. Таблиця 3 Запропонований детектор (GSO) 4 Запропонований детектор (CWO) 5 0.2 46 42 50 66 67 0.56 0.05 0.46 0.42 1.3 0.66 0.67 – – 90 46 Параметр Аналог 3 Аналог 4 1 Ефф. реєстрації швидких нейтронів, % Ефф. реєстрації теплових нейтронів, % Чутливість до швидких нейтронів,імп.см2/ /нейтрон Чутливість до теплових нейтронів, імп.-см2/нейтр Ефф. Реєстрації при наявності уповільнювач а (Ø60х40мм, вага 0,085кГ), % 2 0.5 Габарити, мм Ø59*207 (V=27см3) Вага, кг 0.49 15*15*15 Ø18*14 (V=3.5см3. 3 (V=3.6cm . з захистом Pb, Без уповільнюваV=1см3, без захисча) ту) 0.05 (без 0.08 уповільнювача) (з захистом) Використання сцинтилляторів, що мають у своєму складі речовини (Gd, Cd) з високим ефективним перерізом радіаційного захвату теплових нейтронів забезпечило ефективність реєстрації теплових нейтронів, порівняну з наведеними аналогами. 15*15*15 (V=3.5см3. з захистом Pb, V=1см3, без захисту) 0.1 (з захистом) Застосування уповільнювача порівняно невеликих розмірів Ø60×40мм і вагою 0,085кг) збільшує величину реєстрації швидких нейтронів на порядок (див. табл.) 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 92193 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601