ES2872259T3

ES2872259T3 - Detector de neutrones

Info

Publication number: ES2872259T3
Application number: ES18739874T
Authority: ES
Inventors: Jörg Burmester; Gregor Jacek Nowak; Jörn Plewka; Christian Jacobsen; Carsten Peter Gregersen; Wolfgang Puls; Andreas Beldowski; Dirk Jan Siemers; Rüdiger Kiehn; Sven Kleeband; Thorsten Böttcher; Gerd Musielak; Erik Sitko; John Hedde
Original assignee: Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: JP2020530116A; EP3662306A1; US10989823B2; CN111213072A; CA3071300A1; WO2019025196A1; JP7034255B2; EP3438706A1; US20210096272A1; HUE054479T2; EP3662306B1

Abstract

Detector de neutrones, que comprende una disposición apilada de dos o más elementos detectores con respectivamente dos placas de sustrato dispuestas en paralelo entre sí de un primer material transparente a los neutrones, que están revestidas en los lados dirigidos uno hacia otro con un material absorbente de neutrones (1, 5), y entre las placas de sustrato revestidas, dirigidas una hacia otra está definido un espacio de medición lleno con un gas de conteo, en el que están dispuestos dos planos de alambres de electrodo dispuestos en paralelo respecto a las placas de sustrato con los alambres de electrodo que discurren en paralelo en los respectivos planos de alambres de electrodo (2) y los planos de alambres de electrodo están espaciados entre sí por medio de un marco espaciador, caracterizado porque el espacio de medición es estanco a gases y las placas de sustrato están sujetas entre los elementos detectores en un lado alejado del espacio de medición respectivamente en un marco autoportante de un segundo material transparente a los neutrones para la formación de un volumen de compensación, donde están dispuestos respectivamente dos elementos detectores de modo que los respectivos marcos autoportantes están ensamblados de forma coherente, donde en al menos un lado de los marcos autoportantes ensamblados está previsto un paso de gas para la formación de un volumen de compensación variable.

Description

DESCRIPCIÓN

Detector de neutrones

La presente invención se refiere a detectores de neutrones así como a su uso.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los detectores de neutrones sirven para la detección, la medición del flujo y para la espectroscopía de neutrones libres, por ejemplo, en la supervisión de la protección radiológica o en la investigación básica. Dado que los neutrones solo interactúan débilmente con la materia debido a su falta de carga, se deben detectar a través de reacciones nucleares con un material absorbente de neutrones apropiados, en el que se generan portadores de carga o radionucleidos cargados, que se pueden detectar con detectores apropiados, por ejemplo, tubos de conteo llenos de un gas de conteo.

La interacción de las partículas con el material absorbente de neutrones se describe mediante la sección transversal eficaz a, que posee la dimensión de una superficie con la unidad 1 barn (10-24 cm2). La sección transversal eficaz total ato se calcula a partir del número de interacciones por unidad de tiempo dividido por la densidad de corriente de partículas incidente. Las partículas secundarias generadas durante la interacción deben tener una longitud de trayecto libre suficiente en el gas de conteo, de modo que estas partículas puedan alcanzar la zona sensible del detector y poder depositar allí una cantidad suficientemente grande de energía para la detección. La conversión de la energía depositada en ionización tiene entonces una importancia esencial para la detección.

Los materiales absorbentes de neutrones comunes se describen a continuación:

El isótopo 3He (3He n ^ 3H 1H 0,764 MeV; a = 5.327 barn), un material que genera un protón y un tritón después de la captura de neutrones, está ampliamente extendido en tubos de conteo proporcionales. Las ventajas son grandes secciones transversales efectivas y un número atómico bajo (Z = 2), lo que garantiza una baja sensibilidad y del detector. Una desventaja es el largo recorrido del producto de reacción en el gas, esto repercute negativamente sobre la resolución espacial. Una disposición de detectores de neutrones con una pluralidad de detectores de neutrones separados en base a 3He se conoce, por ejemplo, por el documento WO 2015/088748 A1.

El material convertidor 6Li (6Li n ^ 3H a 4,78 MeV; a = 940 barn) se utiliza la mayoría de las veces en centelleadores, ya sea como dopante o como componente del cristal centelleador. Pero también se puede utilizar como película convertidora en detectores de gas. La gran ventaja es la gran cantidad de energía liberada en el proceso de reacción. Desafortunadamente, la sección transversal eficaz es relativamente pequeña y el manejo es complicado. Una disposición de detectores de neutrones con una pluralidad de elementos detectores de neutrones en base a 6Li se conoce, por ejemplo, por el documento WO 2015/173540 A1. Como material de centelleo se utiliza ZnS(Ag), que está mezclado con 6LiF como material absorbente de neutrones.

10B (10B n ^ 7Li a 2,792 MeV (6%); a = 3.842 barn) se utiliza en detectores de gas en el caso de rellenos de BF³, que es difícil de manipular debido a su toxicidad. En los detectores de estado sólido se utiliza como B⁴C químicamente inerte, ya sea como dopante o como una fina lámina convertidora. La sección transversal eficaz es hasta 4 veces mayor que la del 6Li y la energía liberada es suficiente para generar una señal detectable. Una disposición de detectores de neutrones con una pluralidad de elementos detectores de neutrones poligonales que están dopados con 10B se conoce, por ejemplo, por el documento EP 3187902 A1.

El gadolinio tiene siete isótopos naturales estables, donde 157Gd (15,68% de fracción natural) de todos los átomos conocidos con 254.000 barn presenta la sección transversal de captura más grande conocida para neutrones térmicos (157Gd n ^ 158Gd* ^ 158Gd y e- 29 keV- 181 keV; a = 254.000 barn). El isótopo 155Gd con una frecuencia relativa del 14,73 por ciento todavía tiene una sección transversal de captura alta de 61.000 barn (155Gd n ^ 156Gd* ^ 156Gd y e-(29 keV -181 keV; a = 61000 barn). El gadolinio natural o gadolinio con una distribución de isótopos naturales posee una sección transversal de captura promedio de 49.000 barn. Sin embargo, el gadolinio no se usa con frecuencia debido a los altos costes y difícil manejo. Un detector de neutrones que usa gadolinio se conoce, por ejemplo, por el documento DE 199614452 A1.

Los detectores de neutrones hasta ahora utilizan un recipiente a presión exterior, que garantiza las presiones de llenado requeridas (varios MPa) del volumen de detección llenado con un gas de conteo. La presencia de un recipiente a presión y los pasos eléctricos estancos a los gases asociados al mismo están ligados a un coste adicional. El peso comparativamente alto del detector con el recipiente a presión exterior dificulta junto a la fabricación también el manejo del detector de neutrones durante el funcionamiento. Además, hasta ahora no es posible fabricar detectores de neutrones de gran superficie (clase m2) con una sección transversal de captura alta con una resolución espacial alta simultánea.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un detector de neutrones que presente una eficiencia similarmente alta a un detector de neutrones en base a 3He, pero que funcione sin un recipiente a presión exterior. Los detectores deben tener además una gran superficie de detección con resolución espacial alta simultáneamente. Se conocen varios detectores de neutrones similares en los antecedentes, por ejemplo, el documento US 2013/091763 A1 da a conocer un detector de neutrones, que comprende una disposición apilada de dos o más elementos detectores con respectivamente dos placas de sustrato dispuestas en paralelo entre sí de un primer material transparente a los neutrones, que están revestidas en los lados dirigidos uno hacia otro con un material absorbente de neutrones, y entre las placas de sustrato revestidas, dirigidas una hacia otra está definido un espacio con un gas de conteo, en el que están dispuestos dos planos de alambres de electrodo dispuestos en paralelo respecto a las placas de sustrato con los alambres de electrodo que discurren en paralelo en los respectivos planos de alambres de electrodo y los planos de alambres de electrodo están espaciados entre sí por medio de un marco espaciador. "Study of a high spatial resolution-based thermal neutron detector for application in neutron reflectometry: the Multi-Blade prototype", de F Piscitelli et al. y "2012 IEEE nuclear Science Symposiwn and Medical Imaging Conference Record (nSS/MIC) Study of a 10 B-based Multi-Blade detector for neutron Scattering Science", de J C Buffet et al. describen detectores de neutrones similares a la patente '763 antes mencionada pero sin las dos placas de sustrato dispuestas en paralelo entre sí.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objetivo se consigue por un detector de neutrones con las características de la reivindicación 1.

Se aplica una tensión, habitualmente una alta tensión (> /- 1 kV), a los alambres de electrodo. Las cargas que se generan por medio del material absorbente de neutrones se aceleran mediante una alta tensión aplicada, de modo que se origina una amplificación de gas mediante la multiplicación de la carga en el gas de conteo y la avalancha de carga así originada se transfiere a los planos de alambres de electrodo. Los alambres de electrodo de los dos planos de alambres de electrodo están dispuestos preferiblemente en un ángulo recto con respecto a los alambres de electrodo del otro plano de alambres de electrodo respectivo para la formación de una rejilla de alambres de electrodo, de modo que la ubicación del evento de neutrones se puede determinar por medio de una medición del tiempo de tránsito de las señales en una línea de retardo.

El primer material transparente a los neutrones de las placas de sustrato y el segundo material transparente a los neutrones del marco autoportante pueden ser cualquier material mecanizable que presente una transparencia a los neutrones suficiente. El primer material transparente a los neutrones de las placas de sustrato y/o el segundo, el material del marco transparente a los neutrones, está seleccionado preferiblemente de cobre o en particular de aluminio. Más preferiblemente, el primer y el segundo material transparente a los neutrones son iguales. Las placas de sustrato tienen preferiblemente un espesor entre 20 mm y 600 mm. Los marcos autoportantes tienen preferiblemente un espesor de 2 a 5 mm y preferiblemente una anchura de marco, según el tamaño del marco, de 1 cm a 20 cm. En el contexto de la invención, "autoportante" significa que el marco no presenta apoyos adicionales. Preferiblemente los marcos autoportantes son respectivamente en una pieza.

Las placas de sustrato revestidas son preferiblemente rectangulares, en particular cuadradas, y preferiblemente tienen una longitud de lado de 20 cm a 2 m, en particular de 50 cm a 1,2 m. Con la estructura de detector según la invención, los detectores de neutrones se pueden fabricar con una superficie de detección extraordinariamente grande (clase m2) con una resolución espacial simultáneamente alta.

El material absorbente de neutrones puede comprender 6Li, 10B o gadolinio y de forma especialmente preferible es 10B4C. El revestimiento de 10B4C está aplicado preferentemente con un espesor de capa de 500 nm a 1,5 mm, más preferiblemente de 1 mm a 1,2 mm sobre las placas de sustrato. El revestimiento está aplicado preferentemente mediante pulverización catódica.

Las placas de sustrato de un primer material transparente a los neutrones están pegadas preferiblemente con el marco autoportante de un segundo material transparente a los neutrones. Preferiblemente, se usa adhesivo de resina epoxi o adhesivo de resina acrílica para el pegado.

Preferentemente, como gas de conteo en el espacio de medición se utiliza una mezcla de argón y CO²(Ar/CO²) o CF⁴o mezclas de los mismos. La presión del gas de conteo en el espacio de medición es preferiblemente de 100 a 130 kPa. Preferiblemente, se aplica una alta tensión de > 1 kV, preferentemente entre 1,5 y 3,5 kV, a los alambres de electrodo, donde la tensión se da como valor absoluto.

Los alambres de electrodo en los dos planos de alambres de electrodo tienen respectivamente una distancia de 1 a 3 mm, preferiblemente de aproximadamente 2 mm. La distancia entre los dos planos de alambres de electrodo está preferentemente entre 1,2 y 4 mm, preferiblemente entre 1,6 y 3 mm.

Según la invención está previsto que el detector de neutrones según la invención comprenda una disposición apilada de varios, por ejemplo 2 y más, preferiblemente entre 2 y 18, de forma especialmente preferida entre 4 y 15, en particular entre 8 y 12, elementos detectores. Según la invención, los elementos detectores también están dispuestos respectivamente de modo que los respectivos marcos autoportantes estén ensamblados de forma coherente, donde en al menos un lado, preferiblemente en dos lados de los marcos autoportantes ensamblados, está previsto un paso de gas para la formación de un volumen de compensación variable. Los marcos autoportantes ensamblados de forma coherente están pegados preferiblemente entre sí, donde igualmente es preferible un adhesivo de resina acrílica. Alternativamente, en esta disposición apilada, un marco autoportante puede estar recubierto en ambos lados con placas de sustrato de un primer material transparente a los neutrones, donde el marco autoportante recubierto en ambos lados forma la terminación de dos elementos detectores adyacentes, donde en al menos un lado, preferiblemente en dos lados de los marcos autoportantes ensamblados está previsto un paso de gas para la formación de un volumen de compensación variable.

El lado interior de marco del marco autoportante forma en la disposición apilada, junto con las placas de sustrato revestidas que están fijadas sobre el mismo, un volumen de gas de compensación variable. Si las superficies de detección se vuelven muy grandes (p. ej. > 0,5 m2), entonces también aumentan los desafíos mecánicos con respecto a la estructura de los detectores de neutrones. Para obtener una resolución espacial inalterada de la medición, las placas de sustrato revestidas deben ser lo más uniformes posible. Una distancia corta entre las placas de sustrato recubiertas y los planos de alambres de electrodo en combinación con la alta tensión aplicado durante la medición conduce al hecho de que las placas de sustrato recubiertas y los planos de alambres de electrodo se atraen entre sí, de modo que las placas de sustrato se curvan, lo que puede conducir a una descarga eléctrica de alta tensión. Es posible compensar la curvatura de las placas de sustrato a través de la cámara de gas con un volumen de compensación variable entre los elementos detectores. La distancia entre los planos de alambre y las placas de sustrato se puede ajustar de modo que ambos planos estén orientados en paralelo entre sí en toda la superficie. El plano de detección que se sitúa entre los lados interiores de las placas de sustrato está lleno con una cantidad operativamente inalterable de un gas de conteo. El volumen de compensación opuesto a las respectivas placas de sustrato también está lleno con un gas. Ambos volúmenes (volumen de detector y de compensación) se pueden supervisar usando sensores de presión. Si es necesario, la presión del volumen de compensación se adapta mediante elementos de control, a fin de evitar la desviación de las placas de sustrato revestidas con un material absorbente de neutrones hacia el plano de alambres de electrodo. Por consiguiente se puede suprimir un recipiente a presión exterior para el control o conservación de la presión en el espacio de medición. Cualquier gas transparente a los neutrones se puede utilizar como gas en la cámara de gas con un volumen de compensación variable, ya que no entra en contacto con el gas de conteo. Preferentemente, sin embargo, se usa el mismo gas que el gas de conteo.

Los elementos detectores conectados en una disposición apilada presentan preferiblemente un espesor de revestimiento diferente, por ejemplo, un espesor de revestimiento creciente de 500 mm en el primer elemento detector (p. ej., en el 1er módulo) hasta 1,5 mm en el último elemento detector (p. ej., en el 12° módulo).

Cada elemento detector en la disposición apilada está equipado preferiblemente con una electrónica de evaluación propia. A este respecto, se utiliza una electrónica de evaluación según el estado de la técnica, preferiblemente una electrónica de evaluación controlable de forma remota, más altamente integrada. Puede presentar un preamplificador y una unidad de fracción constante por canal (4 canales por plano de detectores). Las señales se conectan generalmente a una placa FPGA y los flancos (pos. y neg.) se proveen con un registro de tiempo. Es especial una línea de retardo, que se compone de una placa de circuitos impresos, en la que están integrados los elementos de retardo. Esta puede estar conectada al preamplificador mediante transmisores resistentes a alta tensión y hacerse funcionar con el potencial de alta tensión.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La invención se explica más en detalle ahora en referencia a las figuras adjuntas, que no limitan la invención, sino que solo se explican a modo de ejemplo.

En las figuras representa:

Fig. 1 un dibujo esquemático de un elemento detector según la invención;

Fig. 2 un dibujo esquemático en vista en planta de los componentes individuales de un elemento detector; Fig. 3 dos marcos autoportantes en vista en planta, que se puede ensamblar de forma coherente para la formación de una disposición apilada de elementos detectores según la invención; y

Fig. 4 un dibujo esquemático de un detector de neutrones con una disposición apilada de 12 elementos detectores, que están dispuestos en paralelo entre sí.

En referencia a la fig. 1 se muestran esquemáticamente dos capas de 10B4C de material absorbente de neutrones 1, 5 dispuestas en paralelo entre sí y dirigidas una hacia otra, que se han aplicado en dos placas de sustrato dispuestas en paralelo entre sí de un material transparente a los neutrones (no mostrado) por pulverización catódica. Además, entre las capas de 10B4C 1, 5 dirigidas una hacia otra están previstos dos planos de alambres de electrodo que discurren en paralelo entre sí, donde los alambres de electrodo de los dos planos de alambres de electrodo están dispuestos con un ángulo de 90° respecto a la orientación del respectivo otro plano de alambres de electrodo para la formación de una rejilla de alambres de electrodo. En los alambres de electrodo está aplicada una alta tensión 4 (> 1 kV). Los cambios de tensión se registran en una línea de retardo 2 con alta resolución espacial.

Si un neutrón 3 incide sobre una de las capas de 10B4C 1, 5, como consecuencia de la reacción nuclear resultante con el 10B se ioniza el gas de conteo y se detecta el cambio de tensión mediante la rejilla de electrodos. En lugar de 10B4C también se pueden utilizar otros materiales absorbentes de neutrones sólidos como 6Li, que se usa preferiblemente como 6LiF, o gadolinio para la detección de neutrones en el detector de neutrones según la invención. Se prefieren capas de 10B4C por motivo de su manejabilidad y por motivos de costes.

En la fig. 2 se muestra un dibujo esquemático en vista en planta de los componentes individuales de un elemento detector. Desde la izquierda hacia la derecha se muestra un marco autoportante de un material transparente a los neutrones, que es preferiblemente cuadrado. En los lados longitudinales están incorporadas muescas que forman un paso de gas en el caso del ensamblaje de dos marcos. Como siguiente se muestra una placa de sustrato revestida con un material absorbente de neutrones, que se sujeta con el

lado opuesto al revestimiento sobre el marco autoportante y se pega con este. El arriostramiento se realiza para que la placa de sustrato y el revestimiento se fijen de la forma más plana posible y sin pliegues. Para el arriostramiento, el marco autoportante se presiona algo hacia dentro en su lados transversales y longitudinales, la placa de sustrato se pega con el lado opuesto al lado de revestimiento sobre el marco y se destensa después del endurecimiento del adhesivo. Sobre la placa de sustrato revestido se pega una placa de circuitos impresos con planos de alambres de electrodo, que se muestran como tercer elemento. La misma estructura se repite en la representación de la derecha hacia la izquierda y las piezas obtenidas se conectan entre sí con un decalado de 90° a través de un marco espaciador, que aquí está representado en medio. La cámara de gas se llena con un gas de conteo y se pega de forma estanca a gases.

La fig. 3 muestra dos marcos autoportantes en vista en planta, que forman respectivamente un lado de terminación de un elemento detector. En los lados longitudinales están incorporadas muescas que forman un paso de gas con una cámara de gas interior en el caso del ensamblaje de dos marcos. A través del paso de gas se puede controlar el volumen de compensación en la cámara de gas, de modo que con ello se puede compensar una curvatura de las placas de sustrato, en tanto que se disminuye o aumenta la presión de gas en el volumen de compensación.

En la fig. 4 está representada esquemáticamente una disposición apilada de 12 elementos detectores, donde cada elemento detector presenta una electrónica de conteo propia. Con la disposición apilada mostrada se puede conseguir una sensibilidad de detección como en el tubo de conteo de 3He, no obstante, en una superficie de detección mucho mayor que lo que es posible con detectores de neutrones convencionales.

Los detectores de neutrones según la invención permiten por primera vez la estructura de grandes superficies detectoras de aproximadamente 1 m2 a 2 m2, con una resolución espacial de los neutrones por debajo de 2 mm. En la estructura modular en la disposición apilada se pueden obtener además sensibilidades de detección comparables con tubos de conteo de 3He (aprox. 60%) o más alta, en el caso de número más elevado de elementos de detectores. Mediante el uso de placas de sustrato delgadas -como chapas de aluminio- y supresión de recipientes a presión, los detectores de neutrones son comparablemente ligeros pese a las grandes dimensiones y se pueden fabricar de forma económica.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Detector de neutrones, que comprende una disposición apilada de dos o más elementos detectores con respectivamente dos placas de sustrato dispuestas en paralelo entre sí de un primer material transparente a los neutrones, que están revestidas en los lados dirigidos uno hacia otro con un material absorbente de neutrones (1, 5), y entre las placas de sustrato revestidas, dirigidas una hacia otra está definido un espacio de medición lleno con un gas de conteo, en el que están dispuestos dos planos de alambres de electrodo dispuestos en paralelo respecto a las placas de sustrato con los alambres de electrodo que discurren en paralelo en los respectivos planos de alambres de electrodo (2) y los planos de alambres de electrodo están espaciados entre sí por medio de un marco espaciador, caracterizado porque el espacio de medición es estanco a gases y las placas de sustrato están sujetas entre los elementos detectores en un lado alejado del espacio de medición respectivamente en un marco autoportante de un segundo material transparente a los neutrones para la formación de un volumen de compensación, donde están dispuestos respectivamente dos elementos detectores de modo que los respectivos marcos autoportantes están ensamblados de forma coherente, donde en al menos un lado de los marcos autoportantes ensamblados está previsto un paso de gas para la formación de un volumen de compensación variable.

2. Detector de neutrones según la reivindicación 1, donde el primer material transparente a los neutrones de las placas de sustrato y el segundo material transparente a los neutrones son respectivamente iguales y son cobre o aluminio.

3. Detector de neutrones según la reivindicación 1, en el que los alambres de electrodo de los dos planos de alambres de electrodo (2) están dispuestos con un ángulo de 90° en referencia a la orientación del respectivo otro plano de alambre de electrodo (2) para la formación de una rejilla de alambres de electrodo.

4. Detector de neutrones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los alambres de electrodo presentan respectivamente una distancia de 1 a 3 mm en los dos planos de alambres de electrodo (2).

5. Detector de neutrones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la distancia de los planos de alambres de electrodo (2) entre sí está entre 1, 2 y 4 mm.

6. Detector de neutrones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material absorbente de neutrones (1, 5) comprende 6Li, 10B o gadolinio.

7. Detector de neutrones según la reivindicación 6, donde el material absorbente de neutrones (1, 5) es 10B4C.

8. Detector de neutrones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el espesor de capa del material absorbente de neutrones (1, 5) sobre la placa de sustrato es de 500 nm a 1,5 mm.

9. Detector de neutrones según la reivindicación 8, donde el espesor de capa del material absorbente de neutrones (1, 5) sobre la placa de sustrato es de 1 mm a 1,2 mm.

10. Detector de neutrones según la reivindicación 1, que comprende una disposición apilada de 4 y 18 elementos detectores.

11. Detector de neutrones según la reivindicación 10, que comprende una disposición apilada de 8 y 12 elementos detectores.

12. Detector de neutrones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde un marco autoportante está recubierto en ambos lados con placas de sustrato de un primer material transparente a los neutrones, donde el marco autoportante recubierto en ambos lados forma la terminación de dos elementos detectores adyacentes y donde en al menos un lado de los marcos autoportantes ensamblados está previsto un paso de gas para la formación de un volumen de compensación variable.

13. Uso de un detector de neutrones según una de las reivindicaciones 1 a 12 para la detección de neutrones.