RU100270U1 - PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS - Google Patents

PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS Download PDF

Info

Publication number
RU100270U1
RU100270U1 RU2010121484/28U RU2010121484U RU100270U1 RU 100270 U1 RU100270 U1 RU 100270U1 RU 2010121484/28 U RU2010121484/28 U RU 2010121484/28U RU 2010121484 U RU2010121484 U RU 2010121484U RU 100270 U1 RU100270 U1 RU 100270U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neutron
gamma
layer
neutrons
counters
Prior art date
Application number
RU2010121484/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Генрих Васильевич Яковлев
Максим Донатович Каретников
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2010121484/28U priority Critical patent/RU100270U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU100270U1 publication Critical patent/RU100270U1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

1. Фотоядерное устройство с комбинированным гамма-нейтронным детектором для обнаружения ядерных материалов, включающее источник тормозного излучения с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, в котором регистрируются нейтроны и гамма-кванты, вышедшие из ядерного материала, последовательно расположенные со стороны падения гамма-нейтронного излучения слой поглотителя тепловых нейтронов, слой поглотителя эпитепловых нейтронов, слой замедлителя быстрых нейтронов, газонаполненные счетчики тепловых нейтронов, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено выполненным из материала с повышенной плотностью содержания атомов водорода, размещенным за газонаполненными счетчиками тепловых нейтронов по направлению гамма-нейтронного излучения слоем органического сцинтиллятора, фотоэлектронным умножителем, светоотражающими и светопроводящими средствами для оптической связи органического сцинтиллятора с фотоэлектронным умножителем. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой поглотителя тепловых нейтронов выполнен из кадмия толщиной 0,5-1,5 мм. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой поглотителя эпитепловых нейтронов выполнен из борированного полиэтилена толщиной 4-6 мм с содержанием бора 4-6 вес.%. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой замедлителя быстрых нейтронов выполнен из полиэтилена толщиной 8-12 мм. ! 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве газонаполненных счетчиков тепловых нейтронов использованы счетчики типа СНМ-67 для регистрации замедленных нейтронов. ! 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что органический сцинтиллятор выполнен на основ� 1. A photonuclear device with a combined gamma-neutron detector for detecting nuclear materials, including a bremsstrahlung source with a maximum energy greater than the threshold of photonuclear reactions, in which neutrons and gamma-quanta emitted from nuclear material are recorded, sequentially located on the side of the incidence of gamma-neutron radiation thermal neutron absorber layer, epithermal neutron absorber layer, fast neutron moderator layer, gas-filled thermal neutron counters, distinguishing The device is additionally equipped with a layer of an organic scintillator, a photoelectron multiplier, reflective and light-conducting means for optical communication of the organic scintillator with a photoelectron multiplier made of a material with a high density of hydrogen atoms; placed behind gas-filled thermal neutron counters in the direction of gamma-neutron radiation. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the thermal neutron absorber layer is made of cadmium with a thickness of 0.5-1.5 mm ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the epithermal neutron absorber layer is made of 4-6 mm borated polyethylene with a boron content of 4-6 wt.%. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the fast neutron moderator layer is made of polyethylene 8-12 mm thick. ! 5. The device according to claim 1, characterized in that as gas-filled thermal neutron counters, SNM-67 type counters are used to record delayed neutrons. ! 6. The device according to claim 1, characterized in that the organic scintillator is made on the basis of

Description

Решение относится к области анализа материалов радиационными методами, измерения вторичной эмиссии при облучении тормозным излучением и может быть использовано для обнаружения ядерных материалов, в том числе делящихся веществ, экранированных содержимым анализируемых объектов (большие морские контейнеры, автомобили, вагоны, здания и т.д.) без их вскрытия.The solution relates to the field of analysis of materials by radiation methods, measurement of secondary emissions from exposure to bremsstrahlung and can be used to detect nuclear materials, including fissile materials, shielded by the contents of the analyzed objects (large sea containers, cars, wagons, buildings, etc. ) without opening them.

Известно устройство [1] для обнаружения ядерных материалов фотоядерным методом, основанное на измерении выхода нейтронов после облучения объекта контроля импульсным потоком тормозного излучения. Физической предпосылкой фотоядерного метода является то, что ядерные материалы имеют относительно низкий порог фотоядерных реакций (<8 МэВ), тогда как для наиболее распространенных химических элементов, входящих в состав конструкционных материалов или содержащихся в почве, этот порог значительно выше (>10 МэВ). Данное фотоядерное устройство состоит из источника тормозного излучения с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, детектора нейтронов, электронной аппаратуры для регистрации амплитуды и времени регистрации импульсов с детектора нейтронов. Наличие ядерных материалов определяется по повышенному выходу нейтронов после прохождения потока тормозного излучения. Недостатком устройства является то, что при экранировке ядерных материалов водородосодержащими материалами чувствительность обнаружения ядерных материалов значительно снижается. Это обусловлено тем, что нейтроны замедляются и поглощаются при столкновении с ядрами водорода, за счет чего уменьшается поток нейтронов, приходящих на детектор нейтронов.A device [1] is known for detecting nuclear materials by the photonuclear method, based on measuring the neutron yield after irradiation of the test object with a pulsed flux of bremsstrahlung. The physical premise of the photonuclear method is that nuclear materials have a relatively low threshold for photonuclear reactions (<8 MeV), while for the most common chemical elements that are part of structural materials or contained in the soil, this threshold is much higher (> 10 MeV). This photonuclear device consists of a bremsstrahlung source with a maximum energy greater than the threshold of photonuclear reactions, a neutron detector, and electronic equipment for recording the amplitude and time of registration of pulses from a neutron detector. The presence of nuclear materials is determined by the increased neutron yield after the passage of the bremsstrahlung flux. The disadvantage of this device is that when screening nuclear materials with hydrogen-containing materials, the detection sensitivity of nuclear materials is significantly reduced. This is due to the fact that neutrons are slowed down and absorbed upon collision with hydrogen nuclei, due to which the flux of neutrons arriving at the neutron detector decreases.

Наиболее близким к предложенному устройству является фотоядерное устройство [2], содержащее источник тормозного излучения с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, в котором регистрируются нейтроны и гамма-кванты, вышедшие из ядерного материала. Наличие ядерных материалов определяется по повышенному выходу нейтронов и гамма-квантов после прохождения потока тормозного излучения. При радиационном захвате нейтронов ядрами водорода в водородосодержащем веществе, экранирующем ядерный материал, образуются гамма-кванты с энергией 2,2246 МэВ. Поскольку эти гамма-кванты появляются при захвате нейтронов, они являются косвенным признаком наличия повышенного выхода нейтронов и наличия ядерных материалов. Таким образом, регистрация гамма-квантов обеспечивает обнаружение ядерных материалов в водородосодержащих средах. Для регистрации гамма-квантов в фотоядерном устройстве используются газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. В качестве детектора нейтронов используются газонаполненные счетчики тепловых нейтронов, расположенные за слоем поглотителя тепловых и эпитепловых нейтронов и замедлителя быстрых нейтронов.Closest to the proposed device is a photonuclear device [2], which contains a bremsstrahlung source with a maximum energy greater than the threshold of photonuclear reactions, in which neutrons and gamma rays emitted from nuclear material are detected. The presence of nuclear materials is determined by the increased yield of neutrons and gamma rays after passing through the bremsstrahlung stream. During the radiation capture of neutrons by hydrogen nuclei in a hydrogen-containing substance that screens nuclear material, gamma rays with an energy of 2.2246 MeV are formed. Since these gamma rays appear during neutron capture, they are an indirect sign of the presence of increased neutron yield and the presence of nuclear materials. Thus, the registration of gamma rays ensures the detection of nuclear materials in hydrogen-containing media. To register gamma rays in a photonuclear device, Geiger-Muller gas-discharge counters are used. As a neutron detector, gas-filled thermal neutron counters are used, located behind a layer of a thermal and epithermal neutron absorber and a fast neutron moderator.

Тепловые и эпитепловые нейтроны, в основном, являются фоновыми (вышедшими не из ядерного материала), поэтому их регистрировать нежелательно. В качестве поглотителя тепловых нейтронов используется кадмий, поглотителя эпитепловых нейтронов - борированный полиэтилен, замедлителя быстрых нейтронов - полиэтилен.Thermal and epithermal neutrons are mainly background (non-nuclear material), therefore, it is undesirable to detect them. Cadmium is used as a thermal neutron absorber, borated polyethylene is used as an epithermal neutron absorber, and polyethylene is a fast neutron moderator.

Недостатком устройства является низкая чувствительность обнаружения ядерных материалов в водородосодержащих средах вследствие низкой эффективности регистрации газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера. Использование других, более эффективных детекторов гамма-излучения (например, сцинтилляционных) возможно, однако при этом будет происходить экранировка одного типа излучения детекторами другого типа излучения, что приведет к уменьшению чувствительности устройства. Например, при расположении сцинтилляционных детекторов гамма-квантов перед детекторами нейтронов будет происходить ослабление потока нейтронов и уменьшиться чувствительность обнаружения ядерных материалов, определяемым по выходу нейтронов. Расположение детекторов нейтронов и гамма-квантов таким образом, чтобы они не перекрывались (рядом друг с другом в одной плоскости), также приведет к уменьшению чувствительности обнаружения ядерных материалов за счет уменьшения площади детектора нейтронов и гамма-детектора при неизменной общей площади детекторов.The disadvantage of this device is the low sensitivity of detection of nuclear materials in hydrogen-containing environments due to the low efficiency of registration of gas-discharge Geiger-Muller counters. The use of other, more efficient gamma-ray detectors (for example, scintillation) is possible, however, this will shield one type of radiation with detectors of another type of radiation, which will reduce the sensitivity of the device. For example, when scintillation gamma-ray detectors are placed in front of neutron detectors, the neutron flux will weaken and the detection sensitivity of nuclear materials determined by the neutron yield will decrease. The arrangement of neutron and gamma-ray detectors in such a way that they do not overlap (next to each other in the same plane) will also lead to a decrease in the detection sensitivity of nuclear materials by reducing the area of the neutron detector and gamma-detector with a constant total area of the detectors.

Для увеличения чувствительность обнаружения ядерных материалов в водородосодержащих средах в фотоядерном устройстве, содержащем источник тормозного излучения с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, в котором регистрируются нейтроны и гамма-кванты, вышедшие из ядерного материала, регистрация нейтронов и гамма-квантов производится комбинированным гамма-нейтронным детектором, состоящим (со стороны падения гамма-нейтронного излучения) из слоя поглотителя тепловых нейтронов, слоя поглотителя эпитепловых нейтронов, слоя замедлителя быстрых нейтронов, газонаполненных счетчиков тепловых нейтронов, слоя органического сцинтиллятора, регистрирующего гамма-кванты. Кроме того, слой органического сцинтиллятора выполняет одновременно функцию отражателя нейтронов для повышения эффективности детектирования нейтронов.To increase the sensitivity of detection of nuclear materials in hydrogen-containing media in a photonuclear device containing a bremsstrahlung source with a maximum energy greater than the threshold of photonuclear reactions, in which neutrons and gamma-rays emitted from nuclear material are detected, neutrons and gamma-quanta are recorded by a combined gamma-neutron a detector consisting (from the side of the incident gamma-neutron radiation) of a layer of a thermal neutron absorber, an epithermal neutron absorber layer, Loy moderator of fast neutrons, thermal neutrons gas-meter, an organic scintillator layer, recording gamma rays. In addition, the organic scintillator layer simultaneously performs the function of a neutron reflector to increase the efficiency of neutron detection.

Таким образом, техническим результатов заявленного предложения является увеличение чувствительности обнаружения ядерных материалов, окруженных водородосодержащей средой, посредством повышения эффективности детектирования нейтронов.Thus, the technical results of the claimed proposal is to increase the detection sensitivity of nuclear materials surrounded by a hydrogen-containing medium by increasing the efficiency of neutron detection.

Указанный технический результат реализован с использованием совокупности существенных признаков, приведенной ниже.The specified technical result is implemented using the set of essential features below.

Фотоядерное устройство с комбинированным гамма-нейтронным детектором для обнаружения ядерных материалов, включающее источник тормозного излучения с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, в котором регистрируются нейтроны и гамма-кванты, вышедшие из ядерного материала, последовательно расположенные со стороны падения гамма-нейтронного излучения,A photonuclear device with a combined gamma-neutron detector for detecting nuclear materials, including a bremsstrahlung source with a maximum energy greater than the threshold of photonuclear reactions, in which neutrons and gamma-quanta emitted from nuclear material are recorded, sequentially located on the side of the incidence of gamma-neutron radiation,

слой поглотителя тепловых нейтронов,thermal neutron absorber layer,

сдой поглотителя эпитепловых нейтронов,epithermal neutron absorber absorber,

слой замедлителя быстрых нейтронов,fast neutron moderator layer,

газонаполненные счетчики тепловых нейтронов,gas filled thermal neutron counters,

причем, устройство дополнительно снабженоmoreover, the device is further provided

выполненным из материала с повышенной плотностью содержания атомов водорода, размещенным за газонаполненными счетчиками тепловых нейтронов по направлению гамма-нейтронного излучения, слоем органического сцинтиллятора, фотоэлектронным умножителем, светоотражающими и светопроводящими средствами для оптической связи органического сцинтиллятора с фотоэлектронным умножителем,made of a material with a high density of hydrogen atoms, placed behind gas-filled thermal neutron counters in the direction of gamma-neutron radiation, an organic scintillator layer, a photoelectron multiplier, reflective and light-conducting means for optical coupling of the organic scintillator with a photoelectron multiplier,

при этом,wherein,

- слой поглотителя тепловых нейтронов выполнен из кадмия толщиной 0,5-1,5 мм.;- the thermal neutron absorber layer is made of cadmium 0.5-1.5 mm thick .;

- слой поглотителя эпитепловых нейтронов выполнен из борированного полиэтилена толщиной 4-6 мм с содержанием бора 4-6 весовых процента;- the epithermal neutron absorber layer is made of 4-6 mm borated polyethylene with a boron content of 4-6 weight percent;

- слой замедлителя быстрых нейтронов выполнен из полиэтилена толщиной 8-12 мм.;- the fast neutron moderator layer is made of polyethylene 8-12 mm thick .;

- в качестве газонаполненных счетчиков тепловых нейтронов, использованы счетчики типа СНМ-67 для регистрации замедленных нейтронов;- as gas-filled counters of thermal neutrons, counters of the SNM-67 type were used to record delayed neutrons;

- органический сцинтиллятор выполнен на основе сцинтиллирующего стильбена толщиной 70-90 мм.;- organic scintillator is made on the basis of scintillating stilbene with a thickness of 70-90 mm .;

- светоотражающее средство выполнено в виде покрытия из майларовой фольги;- reflective means made in the form of a coating of Mylar foil;

- светопроводящие средства выполнены из плексигласа;- light guide means are made of plexiglass;

- использован фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-182.- used a photomultiplier tube type FEU-182.

В уровне техники не известно средство того же назначения, что и заявленная полезная модель, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы полезной модели существенные признаки, включая характеристику назначения, следовательно, предложенное устройство является новым.In the prior art, it is not known a means of the same purpose as the claimed utility model, which is inherent in all the essential features given in the independent claim of the utility model formula, including the purpose of the application, therefore, the proposed device is new.

Предложенное устройство может быть использовано в промышленности в системах физической защиты ядерных объектов, в системах таможенного контроля контейнеров и транспортных средств на предмет выявления в них ядерных материалов. Предлагаемое устройство позволяет определить наличие ядерных материалов в контролируемых объектах без нарушения целостности объекта. Следовательно, предложенное устройство является промышленно применимым и социально приемлемым.The proposed device can be used in industry in the physical protection systems of nuclear facilities, in the customs control systems of containers and vehicles to identify nuclear materials in them. The proposed device allows to determine the presence of nuclear materials in controlled facilities without violating the integrity of the facility. Therefore, the proposed device is industrially applicable and socially acceptable.

На Фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления предложенного устройства, где позициями обозначены:Figure 1 presents a block diagram of a device for implementing the proposed device, where the positions indicated:

1 - электронный ускоритель,1 - electronic accelerator,

2 - конвертер,2 - converter

3 - фильтр,3 - filter

4 - коллиматор,4 - collimator,

5 - комбинированный гамма-нейтронный детектор,5 - combined gamma-neutron detector,

6 - контейнер,6 - container

7 - тормозное излучение,7 - bremsstrahlung,

8 - ядерный материал,8 - nuclear material,

9 - система сбора данных для сигналов с детектора.9 is a data acquisition system for signals from a detector.

На Фиг.2 приведена геометрия комбинированного гамма-нейтронного детектора для регистрации гамма-квантов и нейтронов в предложенном решении, где позициями обозначены:Figure 2 shows the geometry of the combined gamma-neutron detector for detecting gamma rays and neutrons in the proposed solution, where the positions are:

10 - регистрируемое излучение,10 - recorded radiation,

11 - слой поглотителя тепловых нейтронов,11 - layer of thermal neutron absorber,

12 - слой поглотителя эпитепловых нейтронов и замедлителя быстрых нейтронов,12 is a layer of an absorber of epithermal neutrons and a moderator of fast neutrons,

13 - слой замедлителя быстрых нейтронов,13 - layer moderator of fast neutrons,

14 - газонаполненные счетчики нейтронов,14 - gas-filled neutron counters,

15 - органический сцинтиллятор,15 - organic scintillator,

16 - светоотражающее покрытие,16 - reflective coating

17 - световод,17 - light guide

18 - фотоэлектронный умножитель.18 - photomultiplier tube.

Заявляемое устройство функционирует следующим образом. Электронный пучок выходит из ускорителя 1 и преобразуется конвертером 2 в тормозное излучение 3. Фильтр 3 задерживает оставшиеся электроны, и в направлении контейнера 6 с ядерным материалом 8 испускается только тормозное излучение 7. Коллиматор 4 формирует остронаправленный пучок тормозного излучения. Детектор 5 регистрирует гамма-кванты и нейтроны из ядерного материала 8, сигналы с детекторов фиксируются системой сбора данных 9.The inventive device operates as follows. The electron beam leaves the accelerator 1 and is converted by the converter 2 into bremsstrahlung 3. The filter 3 delays the remaining electrons, and only the bremsstrahlung is emitted in the direction of the container 6 with nuclear material 8. The collimator 4 forms a sharply directed beam of bremsstrahlung. The detector 5 registers gamma rays and neutrons from nuclear material 8, the signals from the detectors are recorded by the data acquisition system 9.

При конкретной реализации способа:With a specific implementation of the method:

- электронный ускоритель 1 создает импульсный пучок с энергией 12 МэВ, импульсным током 100 мА, длительностью импульса 1 мкс;- the electron accelerator 1 creates a pulsed beam with an energy of 12 MeV, a pulsed current of 100 mA, a pulse duration of 1 μs;

- конвертер 2 толщиной 0,8 мм преобразует пучок электронов в поток тормозного излучения с максимальной энергией 12 МэВ;- Converter 2 with a thickness of 0.8 mm converts the electron beam into a stream of bremsstrahlung with a maximum energy of 12 MeV;

- за конвертером 2 установлен фильтр 3 из алюминиевой пластины толщиной 20 мм;- behind converter 2, a filter 3 of an aluminum plate 20 mm thick is installed;

- за фильтром 3 установлен коллиматор 4 из меди толщиной 200 мм с прямоугольным отверстием сечением 40×40 мм вдоль оси распространения потока тормозного излучения;- behind the filter 3 is installed a collimator 4 of copper 200 mm thick with a rectangular hole with a cross section of 40 × 40 mm along the propagation axis of the bremsstrahlung stream;

- ядерный материал 8 представляет собой куб или шар весом 1 кг, состоящий из урана-235 обогащением 92%, расположенный в центре контейнера 6;- nuclear material 8 is a cube or ball weighing 1 kg, consisting of uranium-235 with an enrichment of 92%, located in the center of the container 6;

- контейнер 6 размерами 2400×2400×6000 мм3 полностью заполнен веществом средней плотностью 0,5 г/см3;- the container 6 with dimensions of 2400 × 2400 × 6000 mm 3 is completely filled with a substance with an average density of 0.5 g / cm 3 ;

Комбинированный гамма-нейтронный детектор 5 состоит изCombined gamma-neutron detector 5 consists of

- слоя кадмия 11 толщиной 1 мм для поглощения тепловых нейтронов;- a cadmium layer 11 1 mm thick for absorption of thermal neutrons;

- слоя борированного полиэтилена 12 толщиной 5 мм с содержанием бора 5 весовых процента для поглощения эпитепловых нейтронов и замедления быстрых нейтронов;- a layer of boron polyethylene 12 with a thickness of 5 mm with a boron content of 5 weight percent to absorb epithermal neutrons and slow down fast neutrons;

- слоя полиэтилена 13 толщиной 10 мм для замедления быстрых нейтронов;- a layer of polyethylene 13 with a thickness of 10 mm to slow fast neutrons;

- газонаполненных счетчиков 14 нейтронов типа СНМ-67 для регистрации замедленных нейтронов;- gas-filled counters of 14 neutrons of the SNM-67 type for recording delayed neutrons;

- органического сцинтиллятора 15 на основе сцинтиллирующего стильбена толщиной 80 мм,- organic scintillator 15 based on scintillating stilbene with a thickness of 80 mm,

- светоотражающего покрытия 16 из майларовой фольги,- reflective coating 16 of Mylar foil,

- световод 17, геометрия которого выбрана на основе рекомендаций из работы [3], сделанный из плексигласа,- fiber 17, the geometry of which is selected on the basis of recommendations from [3], made of plexiglass,

- фотоэлектронного умножителя 18 типа ФЭУ-182.- photomultiplier tube 18 type FEU-182.

Численное моделирование зондирования контейнера 6 с ядерным материалом 8 тормозным излучением и регистрация вышедших из контейнера нейтронов и гамма-квантов рассчитано с помощью программы GEANT 3.21 [4]. При обработке результатов вычислений определялся эффект (нейтроны и гамма-кванты, вылетевшие из ядерного материала) и фон (нейтроны и гамма-кванты другой природы). При прохождении через вещество, заполняющее контейнер, часть нейтронов рассеивается и поглощается, причем потери вышедших из ядерного материала нейтронов в случае заполнения контейнера водородосодержащим веществом больше на несколько порядков по сравнению с другими вариантами заполнением контейнера. Это обусловлено большим сечением процессов упругого рассеяния (термализации) и поглощению нейтронов ядрами водорода. Фоновые нейтроны испускаются, в основном, при взаимодействии тормозного излучения с изотопом 13С. Эти факторы приводят к очень низким значениям эффекта и отношению эффект/фон, что делает весьма проблематичным обнаружение ядерных материалов путем регистрации нейтронов в контейнерах, сильно экранированных водой, бумагой, нефтепродуктами или другими водородосодержащими веществами.The numerical simulation of the sounding of a container 6 with nuclear material 8 by bremsstrahlung and the registration of neutrons and gamma rays emerging from the container was calculated using the GEANT 3.21 program [4]. When processing the results of calculations, the effect (neutrons and gamma rays emitted from nuclear material) and the background (neutrons and gamma rays of a different nature) were determined. When passing through a substance filling a container, part of the neutrons is scattered and absorbed, and the loss of neutrons released from the nuclear material in the case of filling the container with hydrogen-containing substance is several orders of magnitude higher than in other options for filling the container. This is due to the large cross section of elastic scattering (thermalization) processes and the absorption of neutrons by hydrogen nuclei. Background neutrons are emitted mainly when the bremsstrahlung interacts with the 13 C isotope. These factors lead to very low values of the effect and the effect / background ratio, which makes it very difficult to detect nuclear materials by detecting neutrons in containers that are heavily shielded by water, paper, oil products or other hydrogen-containing substances.

После окончания вспышки тормозного излучения помимо нейтронов из контейнера выходят гамма-кванты. Эти гамма-кванты имеют сугубо вторичную природу и, в основном, появляются в результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами вещества, заполняющего контейнер (захватные гамма-кванты), являясь, таким образом, косвенным признаком нейтронного излучения. Источником тепловых нейтронов являются быстрые нейтроны, возникающие при термализации в водородосодержащей среде нейтронов, вышедших в результате фотоядерных реакций.After the end of the flash of bremsstrahlung, in addition to neutrons, gamma quanta exit the container. These gamma-rays are of a purely secondary nature and mainly appear as a result of radiation capture of thermal neutrons by the nuclei of the substance filling the container (capture gamma-quanta), thus being an indirect sign of neutron radiation. The source of thermal neutrons is fast neutrons that occur during thermalization in a hydrogen-containing medium of neutrons released as a result of photonuclear reactions.

Интенсивность захватного гамма-излучения зависит от содержимого контейнера. Если контейнер заполнен неорганическими материалами, например, тяжелым или легким металлом, выход захватного гамма-излучения мал по сравнению с выходом нейтронов. Это обусловлено как низким сечением взаимодействия нейтронов, так и сильным ослаблением гамма-излучения в контейнере. Выход захватных гамма-квантов эффекта и отношение эффект/фон максимальны при наличии в контейнере водородосодержащих веществ.The intensity of capture gamma radiation depends on the contents of the container. If the container is filled with inorganic materials, for example, heavy or light metal, the output of capture gamma radiation is small compared to the output of neutrons. This is due to both a low neutron interaction cross section and a strong attenuation of gamma radiation in the container. The output of capturing gamma rays of the effect and the effect / background ratio are maximum when there are hydrogen-containing substances in the container.

Захватные гамма-кванты испускаются в течение существенно более продолжительного времени (с характерной постоянной спада несколько мс) по сравнению с нейтронным откликом (несколько сотен мкс), поскольку источником захватных гамма-квантов являются замедлившиеся нейтроны. Это позволяет использовать временную селекцию событий для дискриминации сигналов, вызванных нейтронами, в гамма-детекторе.Capture gamma-rays are emitted for a significantly longer time (with a characteristic decay constant of several ms) compared to the neutron response (several hundred microseconds), since the source of the capture gamma-quanta is decelerated neutrons. This allows the use of temporal selection of events to discriminate signals caused by neutrons in a gamma detector.

Результаты расчетов эффективности регистрации комбинированным детектором нейтронов и гамма-квантов для спектра нейтронов и гамма-квантов, выходящих из контейнера, заполненного железом, алюминием и водородосодержащим веществом - бумагой, приведены в Таблице 1.The results of calculating the efficiency of registration with a combined neutron and gamma-ray detector for the spectrum of neutrons and gamma-rays emerging from a container filled with iron, aluminum and a hydrogen-containing substance - paper, are shown in Table 1.

Таблица 1.Table 1. Эффективность регистрации комбинированным детектором нейтронов и гамма-квантов.Registration efficiency with a combined neutron and gamma-ray detector. Тип частицParticle type Вариант заполнения контейнераContainer filling option АлюминийAluminum ЖелезоIron БумагаPaper Мгновенные нейтроны эффектаInstant effect neutrons 0,2090.209 0,2110.211 0,1470.147 Мгновенные нейтроны фонаInstant neutrons background 0,2090.209 0,2060.206 0,1940.194 Захватные гамма-кванты эффектаCapturing gamma-ray effect 0,350.35 0,340.34 0,370.37 Захватные гамма-кванты фонаCapture gamma rays background 0,310.31 0,310.31 0,330.33

Количество регистрируемых частиц эффекта Ne после одного импульса тормозного излучения пропорционально массе ядерного материала M:The number of registered particles of the effect N e after one pulse of bremsstrahlung is proportional to the mass of nuclear material M:

где nе - количество регистрируемых частиц эффекта при массе ядерного материала m0=1 кг. При малой массе ядерного материала количество регистрируемых частиц фона не зависит от массы ядерного материала.where n e is the number of registered particles of the effect with the mass of nuclear material m 0 = 1 kg With a small mass of nuclear material, the number of detected background particles does not depend on the mass of nuclear material.

Чувствительность устройства обнаружения ядерных материалов соответствует минимальной обнаруживаемой массе ядерного материала Мmin и может быть определена из решения уравнения [5]:The sensitivity of the nuclear material detection device corresponds to the minimum detectable mass of nuclear material M min and can be determined from the solution of equation [5]:

где α - доверительный интервал, nf - количество регистрируемых частиц фона. Из соотношений (1) и (2) следует, чтоwhere α is the confidence interval, n f is the number of detected background particles. From relations (1) and (2) it follows that

При доверительном интервале α>2 (для вероятности обнаружения больше 95%) 8nf2>>1 (согласно расчетным данным, представленным в Таблице 1) и выражение (3) можно представить в виде:With a confidence interval of α> 2 (for a detection probability of more than 95%) 8n f / α 2 >> 1 (according to the calculated data presented in Table 1) and expression (3) can be represented as:

. .

Количество регистрируемых частиц эффекта ne и фона nf пропорционально эффективности детектора нейтрона при регистрации эффекта εе и фона εf:The number of detected particles of effect n e and background n f is proportional to the efficiency of the neutron detector when registering the effect ε e and background ε f :

где Ке и Kf - постоянные, зависящие от параметров фотоядерной установки, содержимого контейнера, но не зависящие от типа детектора. Из уравнений (4)-(6) следует, что:where K e and K f are constants, depending on the parameters of the photonuclear installation, the contents of the container, but not depending on the type of detector. From equations (4) - (6) it follows that:

, ,

т.е. минимальная обнаруживаемая массаthose. minimum detectable mass

. .

Считая, что эффективность регистрации эффекта близка к эффективности регистрации фона εе≈εf≈ε, соотношение (8) можно переписать как:Assuming that the efficiency of recording the effect is close to the efficiency of recording the background ε e ≈ε f ≈ε, relation (8) can be rewritten as:

. .

Оценим уменьшение эффективности регистрации гамма-квантов комбинированным гамма-нейтронным детектором за счет поглощения гамма-квантов слоем кадмия слоя кадмия 11 толщиной l1=1 мм, слоя борированного полиэтилена 12 толщиной l2=5 мм, слоя полиэтилена 13 толщиной l3=10 мм. Согласно [7] коэффициент уменьшения потока гамма-квантов составляет:Let us evaluate the decrease in the efficiency of gamma-ray detection by a combined gamma-neutron detector due to the absorption of gamma-quanta by a cadmium layer of a cadmium layer 11 with a thickness of l 1 = 1 mm, a borated polyethylene layer of 12 with a thickness of l 2 = 5 mm, a polyethylene layer of 13 with a thickness of l 2 = 5 mm . According to [7], the gamma-ray flux reduction coefficient is:

, ,

где ρ1, ρ2 и ρ3 - плотность кадмия, борированного полиэтилена и полиэтилена, равные 8,65, 0,92 и 1,0; µ1, µ2 и µ3 - массовый коэффициент ослабления гамма-квантов в кадмие, борированном полиэтилене и полиэтилене [8] (предполагается, что вследствие низкой концентрации бора массовые коэффициенты ослабления гамма-квантов в борированном полиэтилене и полиэтилене равны). В Таблице 2 даны значения µ1, µ2 и µ3 и рассчитанный по выражению (11) коэффициент уменьшения эффективности регистрации гамма-квантов kγ для различных энергий гамма-квантов меньше 2,2246 МэВ.where ρ 1 , ρ 2 and ρ 3 - the density of cadmium, borated polyethylene and polyethylene equal to 8.65, 0.92 and 1.0; µ 1 , µ 2 and µ 3 are the mass attenuation coefficients of gamma rays in cadmium, borated polyethylene and polyethylene [8] (it is assumed that, due to the low concentration of boron, the mass attenuation coefficients of gamma rays in boron polyethylene and polyethylene are equal). Table 2 gives the values of μ 1 , μ 2 and μ 3 and the coefficient of decrease in the detection efficiency of gamma quanta k γ calculated by expression (11) for various gamma ray energies less than 2.2246 MeV.

В устройстве-прототипе используется счетчик LND 719 [2]. Согласно спецификации этого счетчика [6] его чувствительность ξ составляет: 1 отсчет при мощности дозы гама-излучения (60Со) 1,25·10-5 Р/ч или 3,5·10-9 Р/с. Мощность дозы 1 Р соответствует флюенсу F потока гамма-квантов 2 109 1/см2 [8]. Согласно спецификации счетчика LND 719 его эффективный диаметр составляет 15 мм, а эффективная длина - 228 мм, следовательно, эффективная площадь счетчика SGM при однонаправленном потоке гамма-квантов равна 34 см2 Отсюда следует, что эффективность регистрации счетчиком LND 719 гамма-квантов изотопа 60Со (1,17 и 1,33 МэВ) равнаThe prototype device uses an LND 719 counter [2]. According to the specification of this counter [6], its sensitivity ξ is: 1 count at a dose rate of gamma radiation ( 60 Co) of 1.25 · 10 -5 R / h or 3.5 · 10 -9 R / s. The dose rate of 1 P corresponds to the fluence F of the gamma-ray flux 2 10 9 1 / cm 2 [8]. According to the specification of the LND 719 counter, its effective diameter is 15 mm and its effective length is 228 mm, therefore, the effective area of the S GM counter with a unidirectional gamma-ray flux is 34 cm 2 It follows that the efficiency of registering the LND 719 gamma-quanta isotope 60 Co (1.17 and 1.33 MeV) is equal to

. .

Для других энергий гамма-квантов эффективность регистрации счетчиком аналогичного типа изменяется не более, чем в 10 раз [9]. Эффективность регистрации гамма-квантов комбинированным детектором приведена в Табл.1. Сравнение с помощью выражения (9) предложенного устройства и устройства-прототипа показывает, что чувствительность (минимальная масса) предложенного устройства меньше, по крайней мере, в 3 раза меньше по сравнению с устройством прототипом даже с учетом уменьшения эффективности регистрации гамма-квантов за счет поглощения в слоях 11, 12 и 13 комбинированного гамма-детектора.For other gamma-ray energies, the registration efficiency of a counter of a similar type changes by no more than 10 times [9]. The efficiency of registering gamma rays with a combined detector is given in Table 1. A comparison using expression (9) of the proposed device and the prototype device shows that the sensitivity (minimum weight) of the proposed device is less than at least 3 times less compared to the prototype device, even taking into account a decrease in the efficiency of gamma-ray registration due to absorption in layers 11, 12 and 13 of the combined gamma detector.

Таблица 2.Table 2. Значения коэффициента kγ уменьшения эффективности регистрации гамма-квантов для различных энергий гамма-квантов за счет поглощения в материале детектора.The values of the coefficient k γ reduce the efficiency of registration of gamma rays for different energies of gamma rays due to absorption in the detector material. Коээфициент kγ Coefficient k γ Энергия гамма-квантов, МэВThe energy of gamma rays, MeV Массовый коээфициент ослабления гамма-квантов, см2Mass coefficient of attenuation of gamma rays, cm 2 / g КадмийCadmium Борированный полиэтиленBorated polyethylene ПолиэтиленPolyethylene 0,8977030.897703 22 0,04140.0414 0,05060,0506 0,05060,0506 0,8573710,857371 1one 0,05830,0583 0,07260,0726 0,07260,0726 0,8016470,801647 0,50.5 0,09250.0925 0,0990,099 0,0990,099

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ:SOURCES OF INFORMATION TAKEN INTO ACCOUNT:

1. Mastny G.F.: Detection of subsurface fissionable nuclear contamination through the application of photonuclear techniques United States Patent 5495106.1. Mastny G.F .: Detection of subsurface fissionable nuclear contamination through the application of photonuclear techniques United States Patent 5495106.

2. Jones J.L., Blackburn B.W., Haskell K.J. et al. Pulsed Photonuclear Assessment (PPA) Technology Enhancement Study. Report INEEL/EXT-06-11175, Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, Idaho, USA, 2006, 38 pp.2. Jones J.L., Blackburn B.W., Haskell K.J. et al. Pulsed Photonuclear Assessment (PPA) Technology Enhancement Study. Report INEEL / EXT-06-11175, Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, Idaho, USA, 2006, 38 pp.

3. Цирлин Ю.А., Сысоева Е.П., Глобус М.Е. Оптимизация детектирования гамма-излучения сцинтилляционными кристаллами, М.: Энергоатомиздат. 1991, 153 с.3. Tsirlin Yu.A., Sysoeva EP, Globus M.E. Optimization of detection of gamma radiation by scintillation crystals, M .: Energoatomizdat. 1991, 153 p.

4. GEANT3.21 Detector Description and Simulation Tool, Manual, CERN Program Library, CERN Geneva, Switzerland, 1993.4. GEANT3.21 Detector Description and Simulation Tool, Manual, CERN Program Library, CERN Geneva, Switzerland, 1993.

5. И.Гольданский, А.В.Куценко, М.И.Подгорецкий. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М.: Физматгиз, 1959, 411 с.5. I. Goldanskiy, A. V. Kutsenko, M. I. Podgoretsky. Statistics of readings during registration of nuclear particles. - M .: Fizmatgiz, 1959, 411 p.

6. Thin wall beta-gamma detector specifications. http://www.lndinc.com/products/pdf/397/6. Thin wall beta-gamma detector specifications. http://www.lndinc.com/products/pdf/397/

7. Н.Г.Гусев, В.П.Машкович, А.П.Суворов. Защита от ионизирующих излучений: Учеб для вузов. В 2 т. T.1. Физические основы защиты от излучений. Энергоатомиздат, М.:, 1989, 461 с.7. N.G. Gusev, V.P. Mashkovich, A.P. Suvorov. Protection against ionizing radiation: Textbook for universities. In 2 t. T.1. The physical basis of radiation protection. Energoatomizdat, Moscow: 1989, 461 pp.

8. J.H.Hubbell and S.M.Seltzer. Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients (version 1.4, 2004). NISTIR 5632, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA, http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/verhist.shtml8. J.H. Hubbell and S. M. Seltzer. Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients (version 1.4, 2004). NISTIR 5632, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA, http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/verhist.shtml

9. В.Прайс. Регистрация ядерного излучения. ИнЛит, М.:, 1960, 464 с.9. V. Price. Registration of nuclear radiation. InLit, Moscow: 1960, 464 pp.

Claims (9)

1. Фотоядерное устройство с комбинированным гамма-нейтронным детектором для обнаружения ядерных материалов, включающее источник тормозного излучения с максимальной энергией больше порога фотоядерных реакций, в котором регистрируются нейтроны и гамма-кванты, вышедшие из ядерного материала, последовательно расположенные со стороны падения гамма-нейтронного излучения слой поглотителя тепловых нейтронов, слой поглотителя эпитепловых нейтронов, слой замедлителя быстрых нейтронов, газонаполненные счетчики тепловых нейтронов, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено выполненным из материала с повышенной плотностью содержания атомов водорода, размещенным за газонаполненными счетчиками тепловых нейтронов по направлению гамма-нейтронного излучения слоем органического сцинтиллятора, фотоэлектронным умножителем, светоотражающими и светопроводящими средствами для оптической связи органического сцинтиллятора с фотоэлектронным умножителем.1. A photonuclear device with a combined gamma-neutron detector for detecting nuclear materials, including a bremsstrahlung source with a maximum energy greater than the threshold of photonuclear reactions, in which neutrons and gamma-quanta emitted from nuclear material are recorded, sequentially located on the side of the incidence of gamma-neutron radiation thermal neutron absorber layer, epithermal neutron absorber layer, fast neutron moderator layer, gas-filled thermal neutron counters, distinguishing The device is additionally equipped with a layer of an organic scintillator, a photoelectron multiplier, reflective and light-conducting means for optical communication of the organic scintillator with a photoelectron multiplier made of a material with a high density of hydrogen atoms; placed behind gas-filled thermal neutron counters in the direction of gamma-neutron radiation. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой поглотителя тепловых нейтронов выполнен из кадмия толщиной 0,5-1,5 мм.2. The device according to claim 1, characterized in that the thermal neutron absorber layer is made of cadmium with a thickness of 0.5-1.5 mm 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой поглотителя эпитепловых нейтронов выполнен из борированного полиэтилена толщиной 4-6 мм с содержанием бора 4-6 вес.%.3. The device according to claim 1, characterized in that the epithermal neutron absorber layer is made of 4-6 mm borated polyethylene with a boron content of 4-6 wt.%. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой замедлителя быстрых нейтронов выполнен из полиэтилена толщиной 8-12 мм.4. The device according to claim 1, characterized in that the fast neutron moderator layer is made of polyethylene 8-12 mm thick. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве газонаполненных счетчиков тепловых нейтронов использованы счетчики типа СНМ-67 для регистрации замедленных нейтронов.5. The device according to claim 1, characterized in that as gas-filled thermal neutron counters, SNM-67 type counters are used to record delayed neutrons. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что органический сцинтиллятор выполнен на основе сцинтиллирующего стильбена толщиной 70-90 мм.6. The device according to claim 1, characterized in that the organic scintillator is made on the basis of scintillating stilbene with a thickness of 70-90 mm 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светоотражающее средство выполнено в виде покрытия из майларовой фольги.7. The device according to claim 1, characterized in that the reflective means is made in the form of a coating of Mylar foil. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светопроводящие средства выполнены из плексигласа.8. The device according to claim 1, characterized in that the light guide means are made of plexiglass. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использован фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-182.
Figure 00000001
9. The device according to claim 1, characterized in that the photomultiplier tube type FEU-182 is used.
Figure 00000001
RU2010121484/28U 2010-05-27 2010-05-27 PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS RU100270U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010121484/28U RU100270U1 (en) 2010-05-27 2010-05-27 PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010121484/28U RU100270U1 (en) 2010-05-27 2010-05-27 PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU100270U1 true RU100270U1 (en) 2010-12-10

Family

ID=46306964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010121484/28U RU100270U1 (en) 2010-05-27 2010-05-27 PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU100270U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Peerani et al. Testing on novel neutron detectors as alternative to 3He for security applications
EP2517050B1 (en) Composite gamma-neutron detection system
US20100046690A1 (en) Apparatus and Method for Detection of Fissile Material Using Active Interrogation
US20140197321A1 (en) Composite gamma-neutron detection system
US9557427B2 (en) Thin gap chamber neutron detectors
CN102608651B (en) Neutron detector
RU100270U1 (en) PHOTO-NUCLEAR DEVICE WITH COMBINED GAMMA-NEUTRON DETECTOR FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS
Yang et al. Identification of high-Z materials with photoneutrons driven by a low-energy electron linear accelerator
JP2013130418A (en) Nuclear material detection device and nuclear material detection method
Gozani et al. Differential time of flight technique for the detection of special nuclear materials
Carasco et al. Detection of special nuclear materials with the associate particle technique
RU56003U1 (en) DETECTOR OF NEUTRONS AND GAMMA QUANTUM
Woolf et al. Pulsed power active interrogation of shielded fissionable material
Ryzhikov et al. A new multi-layer scintillation detector for detection of neutron-gamma radiation
Gozani et al. Combined photoneutron and x ray interrogation of containers for nuclear materials
Koizumi et al. LaBr3 γ-ray spectrometer for detecting 10B in debris of melted nuclear fuel
Mitra et al. Rapid response sensor for analyzing special nuclear material
Kane et al. Simulations of multi-gamma coincidences from neutron-induced fission in special nuclear materials
Tsuchiya et al. Performance of large volume LaBr3 scintillation detector equipped with specially-designed shield for neutron resonance capture analysis
Miller Improved Active Interrogation Methods for Nuclear Nonproliferation and Homeland Security Applications
Mukhopadhyay et al. Electronic Veto and Software Partitioning of Cosmic Neutrons
Jones A novel detection system using neutron/gamma pulse shape discrimination, for use in active interrogation environments
Hoffman Improving Cadmium Capture-Gated Neutron Detection Techniques
Cowles Designing, Building, and Calibrating a Lithium Fluoride With Zinc Sulfide Neutron Multiplicity Counter
Matsuyama et al. Development of Ce: LiCAF Scintillator System for High Precision Nuclear Data Measurement Using Short Pulsed X-Band Electron Linac Based Neutron Source