RU2308740C1

RU2308740C1 - Method of detecting source of penetrating radiation

Info

Publication number: RU2308740C1
Application number: RU2006105838/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Бармаков (RU); Юрий Николаевич Бармаков; Евгений Петрович Боголюбов (RU); Евгений Петрович Боголюбов; Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров; Александр Павлович Кошелев (RU); Александр Павлович Кошелев
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-10-20

Abstract

FIELD: investigating or analyzing of materials.

SUBSTANCE: method comprises the use of unit made of hydrogen-containing scintillating optical members arranged in rows alternatively in two mutually perpendicular directions. The optical members are made of rods of rectangular cross-section. The faces of the scintillation fibers are provided with photodetectors. At least on of the side of the hodoscope unit is provided with two pairs of plates for recording heat neutrons and gamma quanta. Each pair is separated by means of additional plates made of a material that attenuates the radiation. The radiation fluxes coming from outer side and generated inside the hodoscope are separated. The change in the number of photons from one side of the hodoscope unit to the other is recorded. The ratio of light signals from heat neutrons and fast neutrons indicates the presence of the source of fast neutrons, and the gradient of the light signal indicates the direction toward the source.

EFFECT: enhanced precision.

3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, конкретно к исследованию или анализу предметов радиационными методами для обнаружения радиоактивных материалов и источников.The invention relates to the field of analysis of materials by determining their physical properties, specifically to the study or analysis of objects by radiation methods for the detection of radioactive materials and sources.

Известны способы обнаружения источника проникающих излучений с помощью сцинтиллирующих оптических элементов, основанные на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения фотоприемником. В способе используют твердотельный детектор, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящих из этих элементов.Known methods for detecting a source of penetrating radiation using scintillating optical elements based on the slowing down of fast neutrons, the production of recoil protons, the conversion of recoil proton energy into light radiation and the detection of radiation by a photodetector. The method uses a solid-state detector containing a fiber module, assembled from layers of polymer scintillating optical elements, stacked alternately in two mutually perpendicular directions, and an electron-optical system for detecting optical radiation emerging from these elements.

Патент США №4942302, МПК: G01Т 1/02, опублик. 1991 г.U.S. Patent No. 4,942,302, IPC: G01T 1/02, published. 1991 year

Способу характерны большие оптические потери при передаче излучения на большие расстояния. Реализация самого волоконного модуля сложна из-за соединения элементов (волокон) с помощью переходного жгута. Способ не позволяет определять местоположение источника радиоактивного излучения и его тип.The method is characterized by large optical losses when transmitting radiation over long distances. The implementation of the fiber module itself is complex due to the connection of the elements (fibers) using a transitional bundle. The method does not allow to determine the location of the source of radiation and its type.

Известен способ определения проникающего излучения и ядерно-физических параметров и элементного состава сборки, содержащей делящееся вещество. Импульсами протонов длительностью 5-50 нс облучают сборку, временное распределение гамма квантов регистрируют в течение 200-2000 нс после прохождения через исследуемый объект облучающего импульса, вызывающего в делящихся материалах эмиссию запаздывающих гамма квантов. Для каждого зарегистрированного гамма кванта измеряют его энергию, запоминают время регистрации.A known method of determining penetrating radiation and nuclear-physical parameters and elemental composition of the assembly containing fissile material. Proton pulses of 5-50 ns duration irradiate the assembly, the temporal distribution of gamma quanta is recorded for 200-2000 ns after passing through the studied object an irradiating pulse that causes the emission of delayed gamma quanta in fissile materials. For each registered gamma quantum, its energy is measured, and the recording time is stored.

Патент Российской Федерации №2130653, G21С 17/06, Бюл. №14, 1999 г.Patent of the Russian Federation No. 2130653, G21C 17/06, Bull. No. 14, 1999

Изобретение основано на методике сравнения с калибровочными данными при регистрации запаздывающих гамма квантов и применимо только в условиях сложной стационарной установки.The invention is based on a method of comparison with calibration data when registering delayed gamma quanta and is applicable only in complex stationary installations.

Известен способ, в котором тяжелые заряженные частицы с энергией 5-6 МэВ в виде коротких импульсов и МГц-частотой повторения, конвертируют, получая слабонаправленный поток быстрых нейтронов, формируют пучок нейтронов карандашного типа, направляют его на инспектируемый объект и перемещают по поверхности объекта. Активируют по микрообъемам вещество объекта (закладку, контрабанду), регистрируют характеристические гамма кванты элементов, входящих в состав этого вещества.There is a method in which heavy charged particles with an energy of 5-6 MeV in the form of short pulses and a MHz repetition rate are converted to receive a weakly directed fast neutron flux, a pencil-type neutron beam is formed, directed to an inspected object, and moved over the surface of the object. The substance of an object (bookmark, contraband) is activated by microvolumes, the characteristic gamma quanta of the elements that make up this substance are recorded.

Патент США №5076993, МПК: G21G 1/06, 1991 г.U.S. Patent No. 5076993, IPC: G21G 1/06, 1991

В данном способе для отображения содержимого объекта на мониторах применяют времяпролетный анализ для построения трехмерного изображения внутреннего содержимого объекта.In this method, time-of-flight analysis is used to display the contents of an object on monitors to construct a three-dimensional image of the internal contents of an object.

Способ не применим для инспекции ядерных материалов, сокрытых в средах нейтронозамедляющих легкоэлементных веществ (типа воды, нефти, спирта и т.п.) или прикрытых защитными экранами из веществ большого атомного номера Z. Способ не применим в условиях производства и полевых условиях.The method is not applicable for the inspection of nuclear materials hidden in the environment of neutron-slowing element elements (such as water, oil, alcohol, etc.) or covered with protective shields of substances of large atomic number Z. The method is not applicable in the production and field conditions.

Известен способ обнаружения проникающего излучения в виде потока нейтронов с помощью волоконного блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, основанный на рождении протонов отдачи в материале волокна, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения позиционно-чувствительным фотоприемником.A known method of detecting penetrating radiation in the form of a neutron flux using a fiber block of layers of polymer scintillating optical fibers, based on the creation of recoil protons in the fiber material, the conversion of recoil proton energy into light radiation and registration of radiation by a position-sensitive photodetector.

Патент Российской Федерации №2119178, МПК: G01Т 3/06, Бюл. №26, 1998 г. Прототип.Patent of the Russian Federation No. 2119178, IPC: G01T 3/06, Bull. No. 26, 1998. Prototype.

Недостатки прототипа заключаются в том, что указанный способ позволяет регистрировать только быстрые нейтроны, и не позволяет идентифицировать излучение, определить направление излучения. Данный способ не применим при энергии нейтронов, пробег протонов отдачи от которых меньше сечения волокна.The disadvantages of the prototype are that this method allows you to register only fast neutrons, and does not allow to identify radiation, determine the direction of radiation. This method is not applicable for neutron energy, the path of recoil protons from which is less than the fiber cross section.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.The present invention eliminates the disadvantages of analogues and prototype.

Техническим результатом изобретения является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, определение местоположения источника излучения, его идентификация, определение, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах ядерных веществ и изделий из них.The technical result of the invention is the expansion of the energy range of registration of penetrating radiation and their types, the location of the radiation source, its identification, determination, identification camouflaged in neutron-slowing media of nuclear substances and products from them.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения источника проникающих излучений с помощью сцинтиллирующих оптических элементов, основанном на замедлении быстрых нейтронов, рождении протонов отдачи, преобразовании энергии протонов отдачи в световое излучение и регистрации излучения фотоприемником, используют блок годоскопа из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сцинтиллирующие оптические элементы блока годоскопа выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·а, где: а - ширина стержня, b - высота стержня, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, в стержнях пакета размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах которых расположены фотодиоды, при этом, по крайней мере, одна из граней блока годоскопа последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма квантов, а каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучения, разделяют потоки излучений, поступающих извне и родившиеся внутри блока годоскопа, регистрируют изменение количества фотонов от одной стороны блока годоскопа к другой, по калибровочным значениям отношения световых сигналов от тепловых и быстрых нейтронов идентифицируют источник быстрых нейтронов, а по градиенту светового сигнала определяют направление на источник.The technical result is achieved by the fact that in a method for detecting a source of penetrating radiation using scintillating optical elements, based on slowing down fast neutrons, generating proton recoil, converting the energy of proton recoil into light radiation and detecting radiation with a photodetector, a hodoscope block is used from hydrogen-containing scintillating optical elements stacked alternately in rows in two mutually perpendicular directions, scintillating optical elements of the hodoscope block are flaxen in the form of rods with a rectangular section a · b, the rods are arranged in a package of dimensions k · b in height, n · a in width and length m · a, where: a is the width of the bar, b is the height of the bar, k is the number rods by the height of the packet, n is the number of rods by the width of the packet, m is the number of rods by the length of the packet, scintillating fibers are placed in the rods of the packet, photodiodes are located on the ends of the rods, at least one of the faces of the hodoscope block is successively covered with two pairs plates for recording thermal neutrons and for recording gamma quanta, and each pair is separated by additional plates of substances that attenuate the corresponding types of radiation, separate the radiation fluxes coming from outside and born inside the hodoscope block, record the change in the number of photons from one side of the hodoscope block to the other, according to calibration values of the ratio of light signals from thermal and fast neutrons identify the source of fast neutrons, and the gradient of the light signal determines the direction to the source.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2, 3.The invention is illustrated in figure 1, 2, 3.

На фиг.1 схематично представлен блок годоскопа, где:Figure 1 schematically shows a block of a hodoscope, where:

1 - сцинтиллирующие оптические элементы (далее стержни). Сцинтиллирующие оптические элементы 1 уложены рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выполнены в виде стержней.1 - scintillating optical elements (hereinafter referred to as rods). Scintillating optical elements 1 are stacked alternately in rows in two mutually perpendicular directions and are made in the form of rods.

Стержни 1 имеют сечение: а·b, (а - ширина стержня, b - высота стержня) скомпонованы в пакет размерами: k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·а, где k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета,The rods 1 have a section: a · b, (a - the width of the rod, b - the height of the rod) are arranged in a package with dimensions: k · b - in height, n · a - in width and length m · a, where k - the number of rods in the height of the packet, n is the number of rods along the width of the packet, m is the number of rods along the length of the packet,

2 - спектросмещающие волокна,2 - spectroscopic fiber

3 - пластины из вещества ослабляющего рентгеновское излучение или гамма излучение: свинца, вольфрама, обедненного урана, железа.3 - plates of a substance attenuating x-ray radiation or gamma radiation: lead, tungsten, depleted uranium, iron.

4 - две пластины сцинтиллятора для регистрации гамма-излучения и рентгеновского излучения, содержащие один из следующих сцинтилляторов: CsI(Na), LaBr₃(Се), CdWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂ и спектросмещающее волокно с фотодиодами.4 - two scintillator plates for detecting gamma radiation and x-ray radiation, containing one of the following scintillators: CsI (Na), LaBr ₃ (Ce), CdWO ₄ , Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ and a spectroscopic fiber with photodiodes.

5 - пластина из поглощающего тепловые нейтроны вещества, содержащего один или смесь следующих элементов: кадмий, гадолиний, изотоп лития ⁶Li, изотоп бора ¹⁰В.5 - a plate of a thermal neutron-absorbing substance containing one or a mixture of the following elements: cadmium, gadolinium, lithium isotope ⁶ Li, boron isotope ¹⁰ V.

6 - две пластины сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов, содержащие один или смесь следующих элементов: гадолиний, изотоп лития ⁶Li, изотоп бора ¹⁰В, оптическую подложку и спектросмещающее волокно с фотодиодами.6 - two scintillator plates for detecting thermal neutrons, containing one or a mixture of the following elements: gadolinium, a lithium isotope ⁶ Li, a boron isotope ¹⁰ V, an optical substrate and a spectroscopic fiber with photodiodes.

Пакет стержней 1, спектросмещающие волокна 2 с фотодиодами и набор пластин 3, 4, 5, 6 вокруг пакета представляют собой блок годоскопа.A package of rods 1, spectroscopic fibers 2 with photodiodes and a set of plates 3, 4, 5, 6 around the package are a block of a hodoscope.

На фиг.2 представлен фрагмент стержня с сечением a·b (a - ширина стержня, b - высота стержня), где: 1 - сцинтиллирующие оптические стержни, 2 - спектросмещающие волокна.Figure 2 presents a fragment of a rod with a section a · b (a is the width of the rod, b is the height of the rod), where: 1 - scintillating optical rods, 2 - spectroscopic fibers.

На фиг.3 схематично представлена структура годоскопа, где:Figure 3 schematically shows the structure of the hodoscope, where:

7 - схема совпадений, 8 - контроллер, 9 - компьютер.7 - match pattern, 8 - controller, 9 - computer.

Для повышения чувствительности измерений пластины 3, 4, 5 и 6 размещены на всех шести гранях пакета стержней 1. Внутренняя и внешняя пластины 4 регистрируют как внешнее излучение, так и возникшие излучения внутри блока годоскопа.To increase the sensitivity of measurements, plates 3, 4, 5, and 6 are placed on all six faces of the rod package 1. The inner and outer plates 4 record both external radiation and the generated radiation inside the hodoscope unit.

Внутренние пластины 6 необходимы для регистрации тепловых нейтронов, рожденных внутри блока годоскопа, определения отношения сигналов от тепловых и быстрых нейтронов, необходимого для идентификации источника быстрых нейтронов.The inner plates 6 are necessary for registering thermal neutrons generated inside the hodoscope block, determining the ratio of signals from thermal and fast neutrons, which is necessary to identify the source of fast neutrons.

Внешние пластины 6 позволяют обнаружить нейтронный источник либо тепловых нейтронов, либо быстрых нейтронов, замедлившихся в окружающей источник среде. Промежуточная пластина 5 экранирует внутреннюю пластину 6 от воздействия внешних тепловых нейтронов и обеспечивает правильность идентификации источника быстрых нейтронов в случае присутствия также внешних тепловых нейтронов.External plates 6 make it possible to detect a neutron source of either thermal neutrons or fast neutrons, which have slowed down in the environment surrounding the source. The intermediate plate 5 shields the inner plate 6 from the action of external thermal neutrons and ensures the correct identification of the source of fast neutrons in the case of the presence of external thermal neutrons as well.

Внутренние и внешние пластины 4, а также пластина 3 позволяют разделить гамма-излучение, рожденное внутри блока годоскопа и пришедшее извне. Кроме того, пластины 4 позволяют измерить энергию рентгеновского или гамма-излучения и уточнить характеристики ядерного источника.The inner and outer plates 4, as well as the plate 3, allow to separate the gamma radiation generated inside the hodoscope block and coming from outside. In addition, the plate 4 allows you to measure the energy of x-ray or gamma radiation and refine the characteristics of a nuclear source.

Наличие внешних пластин 4, 6 со всех сторон обеспечивает определение направления на источник тепловых нейтронов или рентгеновского и гамма излучения по разности сигналов с противоположных пластин.The presence of external plates 4, 6 on all sides provides a determination of the direction of the source of thermal neutrons or x-ray and gamma radiation by the difference of signals from opposite plates.

Различие счета (регистрации событий), вызванное наличием пластины 3, служит для обнаружения присутствия внешнего источника. Измерение энергии регистрируемого излучения по амплитуде люминесцентных вспышек способствует идентификации источника излучения.The difference in counting (registration of events) caused by the presence of plate 3 serves to detect the presence of an external source. Measuring the energy of the detected radiation by the amplitude of the luminescent flashes helps to identify the radiation source.

Внутренняя пластина 6 для регистрации тепловых нейтронов регистрирует тепловые нейтроны, образовавшиеся внутри блока годоскопа в результате замедления быстрых нейтронов и служит для идентификации источника быстрых нейтронов.An internal plate 6 for detecting thermal neutrons detects thermal neutrons generated inside the hodoscope block as a result of slowing down fast neutrons and is used to identify the source of fast neutrons.

Внешняя пластина 6 для регистрации тепловых нейтронов регистрирует тепловые нейтроны, падающие на блок годоскопа извне, и служит для обнаружения внешнего источника тепловых нейтронов.An external plate 6 for detecting thermal neutrons detects thermal neutrons incident on the hodoscope unit from the outside and serves to detect an external source of thermal neutrons.

Спектросмещающие волокна 2 служат для сбора света от люминесцентных вспышек и выведения света на фотоприемники (фотодиоды), которые расположены на концах спектросмещающих волокон 2 (фотоприемники на фигурах не обозначены позицией).Spectroscopic fibers 2 are used to collect light from luminescent flashes and to output light to photodetectors (photodiodes), which are located at the ends of the spectroscopic fibers 2 (photodetectors in the figures are not indicated by).

В случае удаленных фотоприемников спектросмещающие волокна 2 стыкуют со светопроводящим волокном во избежание больших потерь света.In the case of remote photodetectors, the spectroscopic fibers 2 are joined to the light guide fiber to avoid large light losses.

Сигнал с фотоприемников поступает на схему совпадений 7 и далее на электронное устройство сбора и анализа информации (контроллер 8).The signal from the photodetectors is fed to coincidence circuit 7 and then to an electronic device for collecting and analyzing information (controller 8).

Сцинтиллирующие оптические стержни 1 выполнены из водородосодержащего вещества и служат одновременно как замедлителем быстрых нейтронов, так и их детектором. Быстрые нейтроны (поток ионизирующего излучения) замедляются в сцинтиллирующих оптических стержнях 1 и при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода теряют свою энергию, рождают протоны отдачи, которые и вызывают сцинтилляции.Scintillating optical rods 1 are made of a hydrogen-containing substance and simultaneously serve as both a fast neutron moderator and their detector. Fast neutrons (ionizing radiation flux) slow down in scintillating optical rods 1 and, when neutrons are elasticly scattered by hydrogen nuclei, lose their energy, give rise to recoil protons, which cause scintillations.

Свет от сцинтилляционных вспышек распространяется по сцинтиллирующим оптическим стержням 1, собирается спектросмещающими волокнами 2 и передается на торцы спектросмещающих волокон 2, где расположены фотоприемники, включенные в схему совпадений 7.Light from scintillation flashes propagates through scintillating optical rods 1, is collected by spectroscopic fibers 2 and transmitted to the ends of spectroscopic fibers 2, where the photodetectors included in coincidence circuit 7 are located.

Схема совпадений 7 включает в себя двухканальный усилитель, два резистивных делителя напряжения для подбора напряжения питания в диапазоне 50-60 вольт независимо для каждого из двух фотоприемников и временные ворота. Использование временных ворот позволяет уменьшить количества ложных событий, регистрируемых стержнями 1 и пластинами 4, 6 устройства и обусловленных фоновым сигналом с фотоприемника. При временном окне 10-20 нс количества ложных событий может быть уменьшено до одного за 1000 с.Matching scheme 7 includes a two-channel amplifier, two resistive voltage dividers for selecting a supply voltage in the range of 50-60 volts independently for each of the two photodetectors and a temporary gate. The use of temporary gates can reduce the number of false events recorded by the rods 1 and plates 4, 6 of the device and due to the background signal from the photodetector. With a time window of 10–20 ns, the number of false events can be reduced to one in 1000 s.

Для увеличения количества собираемого света (фотонов) сцинтиллирующие оптические стержни 1 покрыты светоотражающей оболочкой. Сигналы со схемы совпадений 7 поступают на вход контроллера 8, а после обработки на компьютер 9. Контроллер 8 опрашивает выходные регистры схемы совпадений 7, осуществляет первичную обработку полученной информации и передает ее в компьютер 9.To increase the amount of light (photons) collected, the scintillating optical rods 1 are coated with a reflective sheath. The signals from coincidence circuit 7 are received at the input of controller 8, and after processing, to computer 9. Controller 8 polls the output registers of coincidence circuit 7, performs primary processing of the received information and transfers it to computer 9.

Направление на источник определяется по направлению быстрейшего роста сигнала быстрых нейтронов и находится как вектор между областями блока годоскопа, используемыми для регистрации быстрых нейтронов, симметричными относительно его центра.The direction to the source is determined by the direction of the fastest growth of the fast neutron signal and is located as a vector between the regions of the hodoscope block used to register fast neutrons symmetric about its center.

Для идентификации источника используются заранее измеренные для различных источников быстрых нейтронов пространственные распределения сигнала быстрых нейтронов и величина S_т/S_б, являющаяся отношением интегральных сигналов S_т от тепловых и S_б от быстрых нейтронов, просуммированных по всем регистрирующим элементам, соответственно, для тепловых и быстрых нейтронов.To identify the source, spatial distributions of the fast neutron signal preliminarily measured for various sources of fast neutrons are used and the quantity S _t / S _b , which is the ratio of the integral signals S _t from thermal and S _b from fast neutrons, summed over all recording elements, respectively, for thermal and fast neutrons.

Результаты отношений интегральных сигналов S_т/S_б для различных типов источников излучений приведены в таблице.The results of the relations of integral signals S _t / S _b for various types of radiation sources are given in the table.

Тип источникаSource type S_т/S_б S _t / S _b 14 MeV14 MeV 3,2E-023,2E-02 RaBe, PuBeRaBe, PuBe 2,2E-012,2E-01 3 MeV3 MeV 4,7E-014.7E-01 ²⁵²Cf ²⁵² cf 8,3E-018.3E-01 ²³⁵U, ²³⁹Pu ²³⁵ U, ²³⁹ Pu 1one

Claims

A method for detecting a source of penetrating radiation using scintillating optical elements, based on slowing down fast neutrons, generating recoil protons, converting the energy of recoil protons into light radiation and detecting radiation with a photodetector, characterized in that they use a hodoscope block of hydrogen-containing scintillating optical elements stacked alternately in rows in two mutually perpendicular directions, the scintillating optical elements of the hodoscope block are made in the form of rods with with a rectangular section a · b, the rods are arranged in a package of dimensions k · b - in height, n · a - in width and length m · a, where a - the width of the rod, b - the height of the rod, k - the number of rods in the height of the package, n is the number of rods over the width of the packet, m is the number of rods along the length of the packet, scintillating fibers are placed in the rods of the packet, photodiodes are located on the ends of the packet, at least one of the faces of the hodoscope block is sequentially covered with two pairs of plates for detecting thermal neutrons and for registering gamma rays, and each pa It is separated by additional plates of substances that attenuate the corresponding types of radiation, they separate the fluxes of radiation coming from outside and born inside the hodoscope block, record the change in the number of photons from one side of the hodoscope block to the other, and from the calibration values of the ratio of light signals from thermal and fast neutrons identify the source of fast neutrons, and the gradient of the light signal determines the direction to the source.