RU177857U1 - Кольцевой детектор тепловых нейтронов - Google Patents

Кольцевой детектор тепловых нейтронов Download PDF

Info

Publication number
RU177857U1
RU177857U1 RU2017143247U RU2017143247U RU177857U1 RU 177857 U1 RU177857 U1 RU 177857U1 RU 2017143247 U RU2017143247 U RU 2017143247U RU 2017143247 U RU2017143247 U RU 2017143247U RU 177857 U1 RU177857 U1 RU 177857U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ring
light
detector
flat
optical fibers
Prior art date
Application number
RU2017143247U
Other languages
English (en)
Inventor
Виктор Николаевич Марин
Равиль Асхатович Садыков
Василий Сергеевич Литвин
Сергей Николаевич Аксенов
Дмитрий Николаевич Трунов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН)
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 бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН)
Priority to RU2017143247U priority Critical patent/RU177857U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU177857U1 publication Critical patent/RU177857U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00Measuring neutron radiation
    • G01T3/06Measuring neutron radiation with scintillation detectors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области регистрации и дозиметрии тепловых нейтронов. Кольцевой детектор тепловых нейтронов содержит плоский оптический световод с двумя сцинтилляционными экранами ZnS(Ag)/LiF, расположенными на его противоположных сторонах, и светособирающими элементами с оптически связанными с ними фотодетекторами в виде кремниевых фотоумножителей, размещенными по его поверхности, светособирающие элементы выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода, а фотодетекторы размещены с оптическим контактом на плоской поверхности светособирающих элементов, при этом детектор выполнен в виде кольца из борсодержащего материала и содержит несколько плоских оптических световодов, выполненных в виде пластин трапецеидальной формы и размещенных в виде кольца на поверхности детектора с оптическим контактом друг с другом торцевыми гранями, при этом количество и размеры световодов достаточны для образования замкнутого кольца. Технический результат – повышение эффективности регистрации тепловых нейтронов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области регистрации и дозиметрии тепловых нейтронов. Масштабируемость детектора по размерам и простота эксплуатации делают возможным его использование для персональной дозиметрической и таможенной практики, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля и радиационного мониторинга, для обнаружения и идентификации делящихся материалов. Технические параметры детектора (размеры, эффективность регистрации нейтронов) делают данный твердотельный детектор альтернативой существующим гелиевым детекторам, использующим изотоп 3Не.
Из существующего уровня техники известны детекторы тепловых нейтронов, в качестве которых наиболее распространены пропорциональные счетчики на основе гелия-3 [https://portal.slac.stanford.edu/sites/conf_public/nxd2012/presentations/VR_Neutron%20gas%20dets_Aug1_2012.pdf]. Простота устройства счетчиков наряду с высокой эффективностью регистрации нейтронов до 90% ставят данные счетчики вне конкуренции в детектировании нейтронов. Однако большой дефицит данного изотопа гелия и невозможность его получения в достаточном количестве в будущем стимулируют развитие других типов газовых или твердотельных детекторов. При организации кольцевого детектора из гелиевых счетчиков детектор имеет мертвые зоны исходя из конструкции самих счетчиков.
Одним из вариантов замещения гелиевых счетчиков является создание твердотельных детекторов на основе различных сцинтилляторов [http://large.stanford.edu/courses/2012/ph241/lam1/docs/PNNL-18388.pelf].
Известны детекторы нейтронов [T.K. McKnight et al. The flexible embedded-fiber neutron detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 586 (2008) pp. 246-250; E.S. Kuzmin et al. A Raster Thermal-Neutron Scintillation Multidetector of Modular Type. Instruments and Experimental Techniques, 2008, Vol. 51, No. 5, pp. 639-646], использующие сцинтилляционные экраны ZnS(Ag)/LiF с вклеенными спектросмещающими оптическими волокнами. Съем света с волокон осуществляется фотоэлектронными умножителями. Поскольку эффективность захвата и последующего переизлучения света волокном составляет около 4%, полученные амплитуды сигналов составляют единицы фотоэлектронов, что требует использования в качестве фотодетекторов объемных и дорогостоящих фотоэлектронных умножителей, а также высоковольтных источников питания. Технологическая сложность изготовления, стоимость и размеры таких детекторов, низкая эффективность делают проблематичным их использование в прикладных областях, в частности в персональной дозиметрии.
В то же время, сам сцинтиллятор ZnS(Ag)/LiF представляет особый интерес благодаря большому световыходу (1.6×105 фотонов/нейтрон), нечувствительности к гамма-излучению и относительной дешевизне. В то же время, непрозрачность ZnS(Ag)/LiF затрудняет съем сигнала с сцинтиллятора и снижает эффективность регистрации. Как правило, свет из сцинтиллятора регистрируется непосредственно через оптический контакт фотоэлектронным усилителем, ФЭУ, либо с использованием оптических волокон, приклеенных к сцинтиллятору.
Также известен детектор тепловых нейтронов [В.Н. Марин, Р.А. Садыков, Д.Н. Трунов, B.C. Литвин, С.Н. Аксенов, А.А. Столяров. Новый тип сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов на основе ZnS(Ag)/LiF и лавинных фотодиодов. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 18, сс. 96-100], содержащий плоский оптический световод, два сцинтилляционных экрана ZnS(Ag)/LiF, расположенных на противоположных сторонах плоского оптического световода, светособирающие элементы и фотодетекторы в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), каждый из которых оптически связан с соответствующим светособирающим элементом, фотодетекторы со светособирающими элементами размещены по поверхности плоского оптического световода, светособирающие элементы выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода, а фотодетекторы размещены с оптическим контактом на плоской поверхности светособирающих элементов. Полученный в результате поглощения нейтрона, свет из сцинтиллятора попадает в плоский световод и за счет многократного отражения на границе сцинтиллятор-световод распределяется вдоль световода. Большой световой выход сцинтиллятора, высокая квантовая эффективность фотодиодов и прямая (без переизлучения) транспортировка света к фотодетекторам обеспечивают выделение сигнала на уровне тепловых шумов фотодиодов. Однако эффективность регистрации зависит от длины или площади оптического световода. Для длинного или большеразмерного световода становится затруднительным выделение сигналов от нейтронов на фоне тепловых шумов фотодиодов из-за значительного светопоглощения в световоде. Создание же сплошного кольцевого детектора с такими сцинтилляционными экранами технологически сложно, так как ZnS(Ag)/LiF представляет собой хрупкий керамический материал.
Таким образом, известные технические решения имеют ограниченные функциональные возможности.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей детектора тепловых нейтронов за счет увеличения числа фотодетекторов, улучшения светосбора от сцинтиллятора и повышения эффективности регистрации за счет исключения мертвых зон в кольцевом детекторе, увеличения активной площади и возможности масштабирования детектора по размерам, возможности съема позиционно-чувствительной информации с большой площади.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является увеличение эффективности регистрации за счет увеличения числа фотодетекторов, размещения их вдоль кольцевого световода и исключения мертвых зон в кольцевом детекторе.
Указанный технический результат достигается тем, что в детекторе тепловых нейтронов, содержащем плоский оптический световод с двумя сцинтилляционными экранами ZnS(Ag)/LiF, расположенными на его противоположных сторонах, и светособирающими элементами с оптически связанными с ними фотодетекторами в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), размещенными по его поверхности, светособирающие элементы выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода, а фотодетекторы размещены с оптическим контактом на плоской поверхности светособирающих элементов. Детектор выполнен в виде кольца из бор-содержащего материала и содержит несколько плоских оптических световодов, выполненных в виде пластин трапецеидальной формы и размещенных в виде кольца на поверхности детектора с оптическим контактом друг с другом торцевыми гранями, при этом количество и размеры световодов достаточны для образования замкнутого кольца. В качестве бор-содержащего материала может быть использован борированный полиэтилен, а оптические световоды могут быть выполнены трапецеидальной формы в продольном или в горизонтальном сечении.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема оптического световода, где:
1 - плоский оптический световод,
2 - сцинтилляционные экраны ZnS(Ag)/LiF,
3 - светособирающие элементы,
4 - фотодетекторы,
5 - кроссплата.
На фиг. 2 показана схема кольцевого детектора тепловых нейтронов для изучения рассеяния на угол 90°: а - вид спереди, б - поперечный разрез, в - сочленение двух плоских оптических световодов с продольным сечением трапецеидальной формы, где:
1 - плоский оптический световод,
6 - кольцо из бор-содержащего материала.
На фиг. 3 показана схема кольцевого детектора тепловых нейтронов для изучения дифракции на малые и большие углы: а - вид спереди, б - поперечный разрез, в - сочленение двух плоских оптических световодов с горизонтальным сечением трапецеидальной формы, где.
1 - плоский оптический световод,
6 - кольцо из бор-содержащего материала.
На фиг. 4 показан амплитудный спектр с фотодетекторов кольцевого детектора тепловых нейтронов при облучении детектора нейтронным источником 252Cf с полиэтиленовым замедлителем.
Детектор тепловых нейтронов включает плоский оптический световод 1, два сцинтилляционных экрана (2) ZnS(Ag)/LiF, расположенных на противоположных сторонах плоского оптического световода 1, светособирающие элементы 3 и фотодетекторы 4 в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), каждый из которых оптически связан с соответствующим светособирающим элементом 3. Фото детекторы 4 со светособирающими элементами 3 размещены по поверхности плоского оптического световода 1. При этом фотодетекторы могут быть размещены на кроссплате 5. Светособирающие элементы 3 выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода 1, а фотодетекторы 4 размещены с оптическим контактом с плоской поверхностью светособирающих элементов 3. Детектор выполнен в виде кольца 6 из бор-содержащего материала и содержит несколько плоских оптических световодов 1, выполненных в виде пластин трапецеидальной формы в продольном или в горизонтальном сечении и размещенных в виде кольца на поверхности детектора с оптическим контактом друг с другом торцевыми гранями. При этом количество и размеры световодов 1 достаточны для образования замкнутого кольца. В качестве бор-содержащего материала может быть использован борированный полиэтилен.
Устройство работает следующим образом.
Свет, излученный в процессе захвата нейтрона в сцинтилляторе 2, попадает в плоский оптический световод 1 и за счет многократного отражения на границе сцинтиллятор-световод транспортируется вдоль световода к светособирающим элементам 3 и фото детекторам 4, где происходит преобразование светового сигнала в электрический. При этом сцинтиллятор 2 выполняет дополнительную функцию диффузионного отражателя. Высокий световыход сцинтиллятора ZnS(Ag)/LiF, высокая квантовая эффективность фотодетекторов - кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов) и применение технологии «рыбий глаз» (использование полусферической линзы) при светособирании с плоского световода обеспечивают амплитуду сигналов с фотодетекторов на уровне 100-150 фотоэлектронов. При этом в качестве расстояния между светособирающими элементами выбирают расстояние, при котором амплитуда сигналов с фотодетекторов при данном светопоглощении световода превышает темновой шум фотодетекторов.
Сцинтиллятор ZnS(Ag)/LiF представляет собой керамическую тонкую пластину. При этом это очень хрупкая керамика. Ее сложно разрезать по прямым линиям и трудно согнуть. Поэтому гораздо технологичнее использовать прямые короткие плоские оптические световоды 1 с двумя также прямыми короткими сцинтилляционными экранами 2 для создания кольцевой или другой поверхности. Оптические световоды 1 могут быть выполнены трапецеидальной формы в продольном или в горизонтальном сечении для различных вариантов выполнения детектора. Так для регистрации нейтронов, например, под углом рассеяния 90° (рис. 2) оптический контакт световодов 1 происходит по торцевым граням. При этом боковые грани выполнены трапецеидальной формы, а верхние и нижние грани - прямоугольной, т.е. оптические световоды выполнены в продольном сечении трапецеидальной формы. При для регистрации нейтронов на малых и больших углах (рис. 3) оптический контакт световодов 1 также происходит по торцевым граням. Но при этом боковые грани выполнены прямоугольной формы, а верхние и нижние грани - трапецеидальной, т.е. в этом случае оптические световоды выполнены в горизонтальном сечении трапецеидальной формы. Количество и размеры световодов 1 выбирают с условием их размещения по поверхности детектора 6 в виде замкнутого кольца. При таком расположении оптических световодов 1 с оптическим контактом друг с другом эффективная длина и ширина детектора совпадает с его геометрической длиной и шириной. Это означает, что из таких световодов можно собирать кольцевые или длинные детекторы без зазоров между ними, то есть без мертвых зон. Данное выполнение кольцевого детектора позволяет получить выигрыш в 25% по эффективности за счет увеличения числа фотодетекторов, размещения их вдоль кольцевого световода и исключения мертвых зон в кольцевом детекторе. Это важно при работе на слабых источниках нейтронов для увеличения набора статистики.
Кольцо 6 из бор-содержащего материала выполняет одновременно роль защиты от попадания в сцинтиллятор нейтронов с внешней стороны и служит в качестве основы для размещения в виде кольца плоских оптических световодов 1. Бор-содержащий материал, например, борированный полиэтилен, переводит быстрые нейтроны в тепловые и бор взаимодействует с тепловыми нейтронами. Так как у бора эффективность захвата нейтрона 100% то «все» внешние нейтроны останавливаются в кольце 6.
На фиг. 4 показан амплитудный спектр с фотодетекторов кольцевого детектора тепловых нейтронов при облучении детектора нейтронами нейтронного источника 252Cf через полиэтиленовый замедлитель. Порог соответствует 50 отсчетом шкалы, что соответствует 15 фотоэлектронам, а пик соответствует 150 фотоэлектронам.
Подавление шумов детектора осуществляется за счет высокого порога регистрации и временного совпадения сигналов двух соседних фотодетекторов. Высокая эффективность светособирания позволяет использовать сцинтилляционные экраны ZnS(Ag)/LiF с повышенной концентрацией поглотителя нейтронов LiF и обеспечить эффективность регистрации нейтронов для двух слоев сцинтиллятора порядка 70%. Этот счетчик полностью заменяет собой гелиевый счетчик высокого давления по эффективности.
Основными преимуществами заявляемого детектора являются: высокая эффективность регистрации нейтронов, нечувствительность к гамма-фону, отсутствие тепловых шумов до температуры +30°С, компактность и возможность масштабируемости детектора по размерам от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; низкое энергопотребление и низкое напряжение питания, позволяющие использовать стандартные автономные источники питания; технологическая простота изготовления; низкая стоимость элементов детектора.
Таким образом, использование настоящего технического решения существенно расширяет функциональные возможности детектора тепловых нейтронов за счет увеличения числа фотодетекторов, улучшения светосбора от сцинтиллятора и повышения эффективности регистрации за счет исключения мертвых зон в кольцевом детекторе, увеличения активной площади и возможности масштабирования детектора по размерам и возможности съема позиционно-чувствительной информации с большой площади. Данные преимущества позволяют использовать заявляемый детектор для персональной дозиметрической и таможенной практики, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля и радиационного мониторинга, для обнаружения и идентификации делящихся материалов.

Claims (4)

1. Кольцевой детектор тепловых нейтронов, содержащий плоский оптический световод с двумя сцинтилляционными экранами ZnS(Ag)/LiF, расположенными на его противоположных сторонах, и светособирающими элементами с оптически связанными с ними фотодетекторами в виде кремниевых фотоумножителей (микропиксельных лавинных фотодиодов), размещенными по его поверхности, светособирающие элементы выполнены в виде полусферических линз, встроенных сферической частью в плоскую часть световода, а фотодетекторы размещены с оптическим контактом на плоской поверхности светособирающих элементов, отличающийся тем, что детектор выполнен в виде кольца из борсодержащего материала и содержит несколько плоских оптических световодов, выполненных в виде пластин трапецеидальной формы и размещенных в виде кольца на поверхности детектора с оптическим контактом друг с другом торцевыми гранями, при этом количество и размеры световодов достаточны для образования замкнутого кольца.
2. Кольцевой детектор тепловых нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве борсодержащего материала использован борированный полиэтилен.
3. Кольцевой детектор тепловых нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что оптические световоды выполнены в продольном сечении трапецеидальной формы.
4. Кольцевой детектор тепловых нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что оптические световоды выполнены в горизонтальном сечении трапецеидальной формы.
RU2017143247U 2017-12-11 2017-12-11 Кольцевой детектор тепловых нейтронов RU177857U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017143247U RU177857U1 (ru) 2017-12-11 2017-12-11 Кольцевой детектор тепловых нейтронов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017143247U RU177857U1 (ru) 2017-12-11 2017-12-11 Кольцевой детектор тепловых нейтронов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU177857U1 true RU177857U1 (ru) 2018-03-14

Family

ID=61628820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017143247U RU177857U1 (ru) 2017-12-11 2017-12-11 Кольцевой детектор тепловых нейтронов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU177857U1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737636C2 (ru) * 2018-09-13 2020-12-01 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Устройство определения малых концентраций дм в отвс
CN118032831A (zh) * 2024-04-11 2024-05-14 南京航空航天大学 一种基于气体探测器的粉末衍射分析方法和装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7291841B2 (en) * 2003-06-16 2007-11-06 Robert Sigurd Nelson Device and system for enhanced SPECT, PET, and Compton scatter imaging in nuclear medicine
RU2323453C1 (ru) * 2006-11-03 2008-04-27 ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" Световолоконный сцинтилляционный детектор
RU2574416C1 (ru) * 2014-11-25 2016-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Сцинтилляционный детектор

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7291841B2 (en) * 2003-06-16 2007-11-06 Robert Sigurd Nelson Device and system for enhanced SPECT, PET, and Compton scatter imaging in nuclear medicine
RU2323453C1 (ru) * 2006-11-03 2008-04-27 ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" Световолоконный сцинтилляционный детектор
RU2574416C1 (ru) * 2014-11-25 2016-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Сцинтилляционный детектор

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.Н. Марин, Р.А. Садыков и др. Линейные и кольцевые детекторы на основе твердотельных сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов. Институт ядерных исследований Российской академии наук, 2016. *
В.Н. Марин, Р.А. Садыков и др. Линейные и кольцевые детекторы на основе твердотельных сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов. Институт ядерных исследований Российской академии наук, 2016. В.Н. Марин, Р.А. Садыков и др. Новый тип сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов на основе ZnS(Ag)/LiF и лавинных фотодиодов. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 18, 26 сентября, стр. 96-100. *
В.Н. Марин, Р.А. Садыков и др. Новый тип сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов на основе ZnS(Ag)/LiF и лавинных фотодиодов. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 18, 26 сентября, стр. 96-100. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737636C2 (ru) * 2018-09-13 2020-12-01 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Устройство определения малых концентраций дм в отвс
CN118032831A (zh) * 2024-04-11 2024-05-14 南京航空航天大学 一种基于气体探测器的粉末衍射分析方法和装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20180252825A1 (en) Gamma-Ray Compton TOF Camera System
US20160266263A1 (en) Apparatus and method for radiation detection
JP2002071816A (ja) 2次元放射線および中性子イメージ検出器
RU177857U1 (ru) Кольцевой детектор тепловых нейтронов
RU92970U1 (ru) Сцинтилляционный детектор
JP5846960B2 (ja) 放射線検出器
Marin et al. A new type of thermal-neutron detector based on ZnS (Ag)/LiF scintillator and avalanche photodiodes
Marisaldi et al. A pulse shape discrimination gamma-ray detector based on a silicon drift chamber coupled to a CsI (Tl) scintillator: prospects for a 1 keV-1 MeV monolithic detector
WO2014188458A1 (en) Thermal-neutron detectors not making use of he-3, and method for their manufacturing
RU2408902C1 (ru) Двухкоординатный детектор
US20170219724A1 (en) Neutron detection
RU2308056C1 (ru) Сцинтилляционный детектор
RU2377598C2 (ru) Сцинтилляционный детектор
RU2408905C1 (ru) Сцинтилляционный детектор
Litvin et al. Scintillation neutron detectors based on solid-state photomultipliers and lightguides
RU2371740C1 (ru) Годоскоп
Wengrowicz et al. Neutron detection module based on Li-glass scintillator and array of SiPMs
KR101089812B1 (ko) 방사선 카메라
Di Fulvio et al. SiPM readout of stilbene crystals for safeguards applications
RU100297U1 (ru) Двухкоординатный детектор
WO2017216723A1 (en) Two-dimension, high spatial resolution detector of thermal and subthermal neutrons based on ccd and cmos electronic sensors, and a converter containing gadolinium
RU77455U1 (ru) Годоскоп
RU79681U1 (ru) Экспресс-детектор
RU2308741C1 (ru) Годоскоп
RU2447460C1 (ru) Детектор годоскопа