RU100294U1 - Детектор нейтронов - Google Patents

Abstract

Детектор нейтронов для стационарных и мобильных комплексов дистанционного радиационного контроля различного базирования, содержащий размещенные в едином корпусе газоразрядные 3Не-счетчики, располагаемые параллельно друг другу, замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала и отдельный модуль управления, отличающийся тем, что замедлитель нейтронов выполнен в виде составного полого цилиндра и состоит из двух частей в виде прижатых друг к другу двух полуцилиндров с расположенными на их внешней стороне газоразрядными 3Не-счетчиками в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров замедлителя; модуль управления и обработки сигналов состоит из двух блоков, каждый из которых связан с 3Не-газоразрядными счетчиками, принадлежащими соответственно первому и второму полуцилиндрам замедлителя.

Description

Заявляемая полезная модель детектора нейтронов относится к области детектирования быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Предлагаемая полезная модель детектора нейтронов пригодна для использования в мобильных и стационарных комплексах дистанционного радиационного контроля автомобильного и железнодорожного базирования, а также в комплексах морского и вертолетного базирования, предназначенных для обнаружения делящихся материалов (урана, плутония, калифорния, кюрия и изделий из них), для радиационного обследования акваторий и территорий, инспекционного обследования судов и других плавсредств, объектов атомной и ядерной промышленности, в том числе, подлежащих разборке ядерных субмарин и тепловыделяющих сборок, пригодна для решения задач радиационного мониторинга службами Госатомнадзора и таможенных постов, для служб дозиметрической и ядерной безопасности предприятий по переработке ядерного горючего, для служб по предотвращению акций ядерного терроризма и для служб радиационной разведки.

Известен детектор нейтронов сцинтилляционного типа (Пат. 2272301 РФ. Сцинтилляционный детектор нейтронов. Д.В.Райков, Б.В.Шульгин, В.И.Арбузов, А.В.Кружалов, А.Н.Черепанов, В.Л.Петров, П.В.Райков, А.В.Ищенко. МПК G01T 1/00, 3/00, заявл. 16.11.2004; опубл. 20.03.2006. Бюл. №8), в котором чувствительный элемент изготовлен из сцинтиллирующего ⁶Li-силикатного стекла. Известный детектор пригоден для регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, а также для регистрации гамма-излучения. Однако такой детектор имеет более низкую чувствительность, чем детектор нейтронов на базе ³Не-счетчиков, поскольку сечение взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами ⁶Li равно 940 барн, а с ядрами ³Не 5333 барн (В.П.Машкевич, А.В.Кудрявцева. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Энергоатомиздат. М. 1995 г. 494 с.).

Известен детектор быстрых нейтронов и гамма-лучей (патент РФ №96107590/25. Дата выдачи 27.07.1998. Приоритет 18.04.1996. МПК G01T 1/00, 3/00, авторы Б.В.Шульгин, Д.Б.Шульгин, Л.В.Викторов и др.), содержащий датчик быстрых нейтронов, помещенный в замедлитель из водородсодержащего материала, отличающийся тем, что датчик нейтронов состоит из набора газоразрядных ³Не-счетчиков, размещенных в корпусе, имеющем вид призмы прямоугольного сечения, а датчик гамма-излучения включает в себя набор размещенных в замедлителе пластмассовых водородсодержащих сцинтиллирующих вставок, на концах которых размещены фотоприемники; причем сцинтиллирующие пластмассовые вставки изготовлены в виде покрытых светоотражающей пленкой призм или в виде пучка сцинтиллирующих волокон. Однако такой детектор нейтронов, изготавливаемый в виде призмы прямоугольного сечения с водородсодержащими сцинтиллирующими вставками в замедлитель, с фотоприемниками и газоразрядными ³Не-счетчиками, будучи установленным на автомобиль, корабль или железнодорожную платформу сможет регистрировать нейтроны только справа или только слева. Он не сможет одновременно раздельно регистрировать нейтроны, попадающие на детектор из двух противоположных направлений: и справа и слева по борту. Кроме того, известный детектор характеризуется повышенными массогабаритными параметрами.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов СПС-Т4А (Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского ФТИ, 1990). Датчик детектора представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации быстрых нейтронов. Детектор имеет следующие характеристики: длительность сцинтиимпульса, создаваемого нейтронами 8,5 нс; световой выход (УЕСВ по ГОСТ 23077-78) при возбуждении электронами с энергией 662 кэВ 0,29; максимум спектра люминесценции 490 нм, диаметр и высота - до 50 мм. Однако такой детектор обладает невысокой чувствительностью, он не пригоден для регистрации промежуточных и тепловых нейтронов. Кроме того, он не может одновременно раздельно регистрировать нейтроны, поступающие из двух различных направлений.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов и гамма-лучей (Пат. 4482808 США). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, в частности сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и блок электронной обработки сигналов, включающий в себя электронную схему селекции для разделения сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами. Однако известный однокристальный датчик обладает невысокой чувствительностью и не является оптимальным для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Он не может одновременно раздельно регистрировать нейтроны, поступающие на датчик из двух противоположных направлений. Он пригоден для регистрации излучения только в одном направлении.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов и гамма-излучения (Пат. 2189057 РФ). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор, (n, α, γ) - конвертор из карбида или нитрида бора, сцинтилляционный кристалл NaI:Tl и фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки информации. Недостатком такого детектора является то, что эффективность фотосбора сцинтилляций, возникающих в пластике от быстрых нейтронов, невысока по целому ряду причин: (a) пластик соприкасается с фотоприемником (ФЭУ) не всей плоскостью, а только по периферийному кольцу; (б) площадь соприкосновения пластика с окном ФЭУ составляет 30-40% от площади окна, поэтому эффективность фотосъема не превышает 30-40% от фотосбора в режиме, когда сцинтиллятор соприкасался бы с ФЭУ всем своим рабочим торцом; (в) чехол (n, α, γ) - конвертора из карбида или нитрида бора является светонепроницаемым и часть сцинтилляций, возникающих в пластике, поглощается в чехле и не доходит до ФЭУ и, следовательно, не регистрируется. Однако сцинтилляционная эффективность известного борного детектора нейтронов ниже, чем у газоразрядных ³Не-счетчиков, поскольку сечение реакции (¹⁰В+n) равно 3837 барн, а у ³Hе - 5333 барн (В.П.Машкевич, А.В.Кудрявцева. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Энергоатомиздат. М. 1995 г. 494 с.). Кроме того, известный детектор не может одновременно раздельно регистрировать нейтроны, поступающие из двух противоположных направлений.

Наиболее близкими к заявляемому является детекторы нейтронного излучения на базе газоразрядных ³Hе-счетчиков, используемые в мобильном комплексе «Советник СК-АМ» автомобильного базирования (Новые детекторные материалы и устройства. Б.В.Шульгин, А.Н.Черепанов, Д.Б.Шульгин. М.: Физматлит, 2009. 360 с. ISBN №978-5-9221-1109-6; детекторы изображены на рис. ИС.4, с.17; ИС.5, с.18). Такие детекторы, содержащие около двух десятков ³Hе-счетчиков каждый, в случае автомобильного варианта базирования (как в комплексе «Советник СК-АМ») устанавливаются стационарно вдоль одного из бортов автомобиля, вдоль правого или левого бортов. Таким образом, известный детектор пригоден для регистрации излучения только в одном направлении. Он не может одновременно регистрировать нейтроны в двух направлениях; Другим недостатком известного детектора являются его большие массогабаритные параметры. Детектор, изготовленный в виде параллелепипеда (сундука) размерами 110 на 63 на 30 см, из-за большой массы замедлителя, большой ширины и толщины имеет вес более 180 кг, что для персонала, состоящего даже из четырех человек, затрудняет перемещение детекторов и их установку на новых рабочих местах на любых носителях, будь то автомобиль или корабль или железнодорожная платформа.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка детектора нейтронов на базе ³Hе-счетчиков для стационарных и мобильных комплексов дистанционного радиационного контроля, размещаемых на различных носителях, который имел бы меньшие массогабаритные параметры и был бы способен одновременно получать и выдавать информацию о состоянии радиационной обстановки раздельно по правому и левому бортам носителей.

Задача решается за счет того, что полезная модель детектора нейтронов для стационарных и мобильных комплексов дистанционного радиационного контроля различного базирования содержит размещенные в едином корпусе газоразрядные ³Hе-счетчики, располагаемые параллельно друг другу, замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала и отдельный модуль управления, причем замедлитель нейтронов выполнен в виде составного полого цилиндра и состоит из двух частей в виде прижатых друг к другу двух полуцилиндров замедлителя с расположенными на их внешней стороне газоразрядными ³Hе-счетчиками в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров замедлителя; модуль управления и обработки сигналов состоит из двух блоков, каждый из которых связан с ³Hе-газоразрядными счетчиками, принадлежащими соответственно первому и второму полуцилиндрам замедлителя.

Внешний вид предлагаемого детектора нейтронов с одним слоем газоразрядных счетчиков приведен на Фиг.1, а с двумя слоями газоразрядных счетчиков - на Фиг.2. На фиг.3 и Фиг.4 показаны схемы предлагаемых детекторов в разрезе и линия стыковки двух полуцилиндрических замедлителей.

Предлагаемое устройство для обеспечения повышенной чувствительности может содержать до двух-трех десятков газоразрядных ³Hе-счетчиков нейтронов 1. Замедлитель нейтронов 2 выполнен из водородсодержащего материала (например, полиэтилена) в виде цилиндра с полым каналом 3 вдоль оси. Диаметр полого канала и необходимая толщина замедлителя рассчитываются из условия обеспечения максимально возможной концентрации тепловых нейтронов в области, расположенной в прилегающем снаружи к замедлителю пространстве, в которой создается так называемая «тепловая баня», а именно в области, в которой располагаются с помощью элементов крепления 4 газоразрядные ³Hе-счетчики. Полый канал сделан для облегчения конструкции детектора в целом, а также для уменьшения потерь тепловых нейтронов из-за излишнего поглощения нейтронов полиэтиленовым замедлителем 2, если бы он был изготовлен в виде цельного цилиндра (без полого канала). Кроме цилиндрического полого канала полиэтиленовый замедлитель в случае двухслойного расположения ³Hе-счетчиков имеет цилиндрические отверстия, расположенные на некотором расстоянии от оси замедлителя, размер которых согласован с размером газоразрядных ³Hе-счетчиков. В случае однослойной конструкции, Фиг.1, ³Hе-счетчики 1 располагаются на боковой поверхности замедлителя. Счетчики детектора нейтронов закрепляются с помощью специальных элементов крепления 4. Электрически счетчики объединены в две группы - для каждого из полуцилиндров. Детальная конструкция элементов крепления счетчиков на Фиг.1 и Фиг.2 не показана. Все элементы детектора для однослойного и двухслойного вариантов установлены в едином корпусе, который на Фиг 1-4 не показан. Детектор управляется модулем управления, который состоит из двух блоков 5 и 6, отдельно связанных с группами ³Hе-счетчиков, принадлежащих первому и второму полуцилиндрам замедлителя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Быстрые и промежуточные нейтроны, попадая в полиэтиленовый замедлитель теряют свою энергию, замедляются до тепловых нейтронов и образуют «тепловую баню», ³Hе-счетчики эффективно регистрируют тепловые нейтроны первичного спектра и нейтроны более жестких диапазонов первичного спектра, замедляемые до тепловой энергии и заполняющие зону «тепловой бани». Для тепловых нейтронов первичного спектра предусмотрен прямой доступ к ³Hе-счетчикам. Цилиндрический полый канал вдоль оси по всей длине замедлителя, уменьшает его толщину до требуемых размеров, обеспечивающих наиболее эффективную регистрацию нейтронов, понижает вероятность потерь нейтронов, связанных с их возможным поглощением в слишком толстом замедлителе, повышая эффективность детектора в целом, и в полтора - два раза снижает вес замедлителя нейтронного детектора.

Модуль управления обрабатывает получаемую информацию о плотности потока регистрируемых нейтронов в дифференциальном режиме с помощью двух раздельных блоков 5 и 6. Одна из функций модуля управления связана с разделением сигналов от двух групп счетчиков, расположенных в двух полуцилиндрах замедлителя, и регистрацией этих сигналов в двух отдельных блоках модуля управления.

Такой режим, в отличие от известного, применяемого ранее, в котором регистрация нейтронов была возможно только с левого борта или только с правого борта, обеспечивает реальные возможности получения раздельной информации о наличии радиационных источников в объектах, поодиночке или одновременно проходящим по разным бортам (автомобиля или железнодорожной платформы), обеспечивает возможность точного определения наличия источника нейтронов при прохождении корабля, на котором находится комплекс контроля, в узкостях, когда по правому и левому бортам находятся возможные объекты контроля.

Технический результат. Сравнение эффективности предлагаемой полезной модели нового детектора нейтронов цилиндрической формы с эффективностью ранее известных детекторов в виде прямоугольных блоков указывает на более высокую эффективность детекторов нового цилиндрического типа с учетом нормировки показателей эффективности на массогабаритные параметры. Предлагаемый детектор позволяет одновременно регистрировать нейтроны по правому и левому бортам носителя.

Предложенные детекторы нейтронов с новой компоновкой ³Hе-счетчиков, обладающие меньшим весом и в 2-3 раза меньшей шириной (при одинаковой высоте, зависящей от длины ³Hе-счетчиков) в сравнении с известными нейтронными детекторами для комплексов дистанционного радиационного контроля, более удобны для транспортировки, для перемещений и установки на новые позиции контроля при любом объекте базирования: наземном, морском или авиационном..

Дополнительным преимуществом предлагаемых детекторов нейтронов с двумя слоями счетчиков является возможность организации их работы в совмещенных режимах: в спектрометрическом и счетном. В спектрометрическом режиме может работать внешний слой счетчиков; в счетном режиме работают счетчики внутреннего слоя.

Claims (1)

1. Детектор нейтронов для стационарных и мобильных комплексов дистанционного радиационного контроля различного базирования, содержащий размещенные в едином корпусе газоразрядные ³Не-счетчики, располагаемые параллельно друг другу, замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала и отдельный модуль управления, отличающийся тем, что замедлитель нейтронов выполнен в виде составного полого цилиндра и состоит из двух частей в виде прижатых друг к другу двух полуцилиндров с расположенными на их внешней стороне газоразрядными ³Не-счетчиками в один или два слоя вокруг боковой поверхности каждого из полуцилиндров замедлителя; модуль управления и обработки сигналов состоит из двух блоков, каждый из которых связан с ³Не-газоразрядными счетчиками, принадлежащими соответственно первому и второму полуцилиндрам замедлителя.