Устройство относится к детекторам ядерных (α-, β-, γ -излучений), протонного или рентгеновского излучений, регистрируемых на фоне сопутствующего и требующего учета нейтронного излучения, и может быть использовано для обнаружения и идентификации различных ионизирующих излучений при наличии нейтронного излучения, особо для обнаружения и идентификации гамма-источников на фоне сопутствующего и требующего учета космического и земного нейтронного излучения в системах технического контроля, в частности в системах таможенного контроля. The device relates to detectors of nuclear (α-, β-, γ-radiation), proton or X-ray radiation detected against the background of concomitant and requiring neutron radiation, and can be used to detect and identify various ionizing radiation in the presence of neutron radiation, especially for detection and identification of gamma sources against the background of concomitant and requiring accounting for cosmic and terrestrial neutron radiation in technical control systems, in particular in customs control systems.
Известные детекторы ядерных излучений содержат, как правило, датчик и блок электронной обработки сигналов [1-4] Например, селективный детектор нейтронов по патенту [2] содержит два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, в то время как другой чувствителен только к заряженным частицам; число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с этих датчиков, выделяемым с помощью разностной схемы электронного блока. Однако возможность применимости такого детектора для регистрации незаряженных частиц, в частности гамма-излучения, в патенте [2] не оговорена. Известный детектор [3] нескольких излучений включает два сцинтилляционных датчика с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой к низкоэнергетическому, и электронно-оптический блок регистрации, выделяющий сигналы от разных датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов. Такой детектор имеет ограниченные области применения, по данным [3] он пригоден для регистрации рентгеновского излучения с двумя различными энергиями. Known nuclear radiation detectors typically contain a sensor and an electronic signal processing unit [1-4] For example, the selective neutron detector according to the patent [2] contains two sensors, one of which is sensitive to charged particles and neutrons, while the other is sensitive only to charged particles; the number of detected neutrons is determined by the difference signal from these sensors, allocated using the difference circuit of the electronic unit. However, the applicability of such a detector for detecting uncharged particles, in particular gamma radiation, is not specified in the patent [2]. The well-known detector [3] of several radiations includes two scintillation sensors with green and red glows, one of which is sensitive to high-energy radiation, and the other to low-energy, and an electron-optical recording unit that emits signals from different sensors using light filters (green and red) and registering them using photodiodes. Such a detector has limited applications; according to [3], it is suitable for detecting x-rays with two different energies.
Наиболее близким к заявленному является устройство, описанное в [4] которое представляет собой прибор для измерения нейтронов и гамма-лучей. Это устройство содержит датчик, в частности сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и электронную схему селекции (разделения) сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами. Однако такое устройство имеет весьма ограниченные области применения: любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронов и гамма-лучей в диапазоне энергий до 10 МэВ и выше. Если сцинтилляционный датчик выполнен из водородсодержащего, чувствительного к быстрым нейтронам материала, т.е. из материала с низким эффективным атомным номером, то такой датчик практически не чувствителен к высокоэнергетическому гамма-излучению в диапазоне 1-10 МэВ и выше. Если сцинтилляционный датчик выполнен из материала с высоким эффективным атомным номером, то будучи чувствительным к высокоэнергетическому гамма-излучению, он не будет регистрировать быстрые нейтроны. Таким образом, известное устройство [4] непригодно для одновременной регистрации высокоэнергетического (1-10 МэВ и выше) гамма-излучения и быстрых нейтронов. Closest to the claimed is the device described in [4] which is a device for measuring neutrons and gamma rays. This device contains a sensor, in particular a single-chip scintillation sensor, sensitive at the same time to neutrons and gamma rays, and an electronic circuit for the selection (separation) of signals (pulses) generated by neutrons and gamma rays. However, such a device has very limited applications: any single-chip sensor is not optimal for the simultaneous detection of neutrons and gamma rays in the energy range up to 10 MeV and higher. If the scintillation sensor is made of a hydrogen-containing material that is sensitive to fast neutrons, i.e. of a material with a low effective atomic number, such a sensor is practically insensitive to high-energy gamma radiation in the range of 1-10 MeV and higher. If the scintillation sensor is made of a material with a high effective atomic number, then being sensitive to high-energy gamma radiation, it will not detect fast neutrons. Thus, the known device [4] is unsuitable for the simultaneous detection of high-energy (1-10 MeV and higher) gamma radiation and fast neutrons.
Заявленное устройство содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла на основе ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO), чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также a-, β-, γ -излучениям, и световода, выполненного из органического водородосодержащего вещества на основе стильбена или пластмассы (CH)n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, а блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от сцинтиллятора и световода. Сущность изобретения заключается в том, что световод датчика выполнен из сцинтиллирующего вещества, избирательно чувствительного к быстрым нейтронам. Сцинтилляционный кристалл BGO, чувствительный к протонному, рентгеновскому, а также a-, β-, γ -излучению, (включая высокоэнергетическое излучение 1-10 МэВ и выше), имеет толщину, достаточную для того, чтобы регистрируемое излучение поглощалось в нем полностью и не доходило бы до сцинтиллирующего световода, и находится в оптическом контакте со световодом-сцинтиллятором, выполненным из стильбена или из пластмассы (CH)n, последний находится в оптическом контакте с окном фотоэлектронного умножителя, сигнал с которого поступает на блок электронной обработки сигналов.The claimed device contains a sensor and an electronic signal processing unit. The sensor is made in the form of a series-connected scintillation crystal based on bismuth orthogermanate Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), sensitive to proton, x-ray, as well as a-, β-, γ-radiation, and a fiber made of an organic hydrogen-containing substance based on stilbene or plastic (CH) n , sensitive to fast neutrons, and a photomultiplier tube, and the electronic signal processing unit includes a circuit for temporal selection of scintillation pulses from the scintillator and the optical fiber. The essence of the invention lies in the fact that the optical fiber of the sensor is made of scintillating material, selectively sensitive to fast neutrons. The BGO scintillation crystal, which is sensitive to proton, x-ray, and a-, β-, and γ-radiation (including high-energy radiation of 1-10 MeV and higher), has a thickness sufficient to ensure that the detected radiation is completely absorbed and not came up to the scintillating optical fiber, and is in optical contact with a light guide, the scintillator made of a stilbene or plastic (CH) n, the latter is in optical contact with the window of the photomultiplier, the signal from which is fed to the electronic unit brabotki signals.
Устройство работает в полях a-, β-, γ- протонного (p) или рентгеновского излучений на фоне сопутствующего (и требующего учета) нейтронного излучения следующим образом. The device operates in the fields of a-, β-, γ- proton (p) or X-ray radiation against the background of concomitant (and requiring accounting) neutron radiation as follows.
Под действием α-, β-, γ- протонного или рентгеновского излучения в сцинтилляционном кристалле BGO возникает световая вспышка с длиной волны излучения 480-505 нм и длительностью 300 нс, которая по световоду без особых потерь (потери<3%) поступает на фотокатод ФЭУ, создавая на выходе ФЭУ электрический импульс длительностью 300 нс. Толщина кристалла BGO выбирается такой (15-30 мм и более), чтобы регистрируемое им протонное, рентгеновское, а также α-, β- и γ- излучение (до 1-10 МэВ и выше) поглощалось в нем полностью и не доходило до световода. Сопутствующее и подлежащее учету нейтронное излучение, проходя без существенных потерь через первичный сцинтилляционный кристалл BGO (потери составляют<3-5%), попадает в сцинтилляционный световод из органического материала (стильбена или пластмассы (CH)n) и вызывает в нем световую вспышку с длиной волны излучения 400-420 нм с длительностью до 2-3 нс (в 100-150 раз более короткую, чем длительность вспышки в BGO). Эта короткая световая вспышка, создаваемая нейтронами, поступает на фотокатод ФЭУ, создавая на выходе его электрический импульс длительностью 2-3 нс. Таким образом, когда частицы ( α-, β- протоны, γ или рентгеновское излучение и сопутствующее нейтронное излучение) пройдут через сцинтиллятор и сцинтиллирующий световод выходной сигнал ФЭУ будет иметь две компоненты: быструю (2-3 нс), соответствующую зарегистрированным нейтронам, и медленную (300 нс), соответствующую зарегистрированному a-, β-, γ- p- или рентгеновскому излучению. Такой двухкомпонентный выходной сигнал поступает в электронный блок обработки (на схему временной селекции), которая подсчитывает раздельно число импульсов (сигналов) от ионизирующего излучения и от нейтронов, обеспечивая их раздельный и общий учет.Under the influence of α-, β-, γ- proton or X-ray radiation in a BGO scintillation crystal, a light burst occurs with a radiation wavelength of 480-505 nm and a duration of 300 ns, which is transmitted to the photomultiplier photocathode without special losses (loss <3%) creating an electric pulse with a duration of 300 ns at the output of the PMT. The thickness of the BGO crystal is chosen such (15-30 mm or more) that its proton, x-ray, and also α-, β-, and γ-radiation (up to 1-10 MeV and higher) are completely absorbed in it and do not reach the fiber . The accompanying and accountable neutron radiation, passing without significant losses through the BGO primary scintillation crystal (losses are <3-5%), enters the scintillation waveguide of organic material (stilbene or plastic (CH) n ) and causes a flash of light with a length of radiation waves 400-420 nm with a duration of up to 2-3 ns (100-150 times shorter than the flash duration in BGO). This short light burst created by neutrons arrives at the photomultiplier of the photomultiplier, creating an electric pulse of 2-3 ns duration at the output. Thus, when particles (α-, β- protons, γ or X-rays and associated neutron radiation) pass through the scintillator and the scintillating fiber, the output PMT signal will have two components: fast (2-3 ns) corresponding to the detected neutrons, and slow (300 ns) corresponding to the detected a-, β-, γ- p- or X-ray radiation. Such a two-component output signal is supplied to an electronic processing unit (to a temporary selection circuit), which separately calculates the number of pulses (signals) from ionizing radiation and from neutrons, providing for their separate and general accounting.