RU2366014C1

RU2366014C1 - Collimator

Info

Publication number: RU2366014C1
Application number: RU2007145078/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Андреев (RU); Анатолий Васильевич Андреев; Евгений Петрович Боголюбов (RU); Евгений Петрович Боголюбов; Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров; Александр Павлович Кошелев (RU); Александр Павлович Кошелев; Валерий Николаевич Самосюк (RU); Валерий Николаевич Самосюк; Игорь Владимирович Мешков (RU); Игорь Владимирович Мешков
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2007145078A

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: application: for nondestructive control methods. Substance consists that a collimator comprises a truncated pyramid provided with a beam pat shaped as a lateral surface of the truncated pyramid. The smaller base of the collimator directly adjoins an outlet channel of a moderating block made of polyethylene and representing a hollow cube. Inside of the moderating block, there is a converter for a fast neuron source. The space between the converter face and internal surface of the moderating block contains the polyethylene layer that forms a cavity formation. The moderating block on its surface comprises series lead converter-reflector, a bismuth gamma-shield layer, a slow and fast neutron absorption layer. Lengthwise the collimator additionally accommodates series lead shield layer, a slow and fast neutron shield layer and gamma-shield layer. Gadolinium and cadmium interlayers are provided between shield layers.

EFFECT: higher slow neuron flux density.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области нейтронной физики, неразрушающих методов контроля с использованием тепловых нейтронов.The invention relates to the field of neutron physics, non-destructive testing methods using thermal neutrons.

Известно устройство для измерения плотности потока тепловых нейтронов в полостях замедлителей, содержащее наружный кадмиевый экран.A device for measuring the density of the flux of thermal neutrons in the cavities of the moderators, containing an external cadmium screen.

Устройство содержит съемные поглотители нейтронов и кольцевой кадмиевый коллиматор-держатель съемных поглотителей. Внутри коллиматора-держателя между каждой парой окон установлен съемный поглотитель, а коллимирующие окна и наружный кадмиевый экран образуют формирователи коллимированных направленных пучков тепловых нейтронов.The device comprises removable neutron absorbers and an annular cadmium collimator holder of removable absorbers. A removable absorber is installed between each pair of windows inside the holder collimator, and the collimating windows and the outer cadmium screen form the formers of collimated directed beams of thermal neutrons.

В устройстве в качестве съемных поглотителей использованы таблетки из бора, размещаемые в кадмиевом коллиматоре-держателе посередине между окнами, имеющие одинаковую поглощающую способность тепловых нейтронов. Патент Российской Федерации №1752079, МПК: G01T 3/00, 1995.In the device, boron tablets are used as removable absorbers, placed in a cadmium holder-collimator in the middle between the windows, which have the same absorption capacity of thermal neutrons. Patent of the Russian Federation No. 1752079, IPC: G01T 3/00, 1995.

Известен двухслойный коллиматор, выполненный из водородосодержащего замедлителя нейтронов (полиэтилен) - внешний слой коллиматора и кадмиевого поглотителя тепловых нейтронов - внутренний слой коллиматора. Патент Российской Федерации №2158011, МПК: G01T 1/20, G01T 3/06, 2000.Known two-layer collimator made of a hydrogen-containing neutron moderator (polyethylene) - the outer layer of the collimator and cadmium absorber of thermal neutrons - the inner layer of the collimator. Patent of the Russian Federation No. 2158011, IPC: G01T 1/20, G01T 3/06, 2000.

Известен облучатель, содержащий коллиматор тепловых нейтронов, внутренняя поверхность которого облицована материалом с большим сечением рассеяния тепловых нейтронов, например, полиэтиленом, и имеет форму усеченного конуса, фильтр для очистки пучка тепловых нейтронов от гамма-квантов и диафрагму для регулирования диаметра пучка тепловых нейтронов. Замедлитель выполнен из бериллия или графита. В отверстии биологической защиты для вывода тепловых нейтронов расположен коллиматор. Длина оси коллиматора составляет не менее 50 см. Патент Российской Федерации №2252798, МПК: A61N 5/10, 2005.A known irradiator containing a thermal neutron collimator, the inner surface of which is lined with a material with a large scattering cross section of thermal neutrons, such as polyethylene, and has the shape of a truncated cone, a filter for cleaning the thermal neutron beam from gamma rays and a diaphragm for regulating the diameter of the thermal neutron beam. The retarder is made of beryllium or graphite. A collimator is located in the opening of the biological protection for the output of thermal neutrons. The length of the collimator axis is at least 50 cm. Patent of the Russian Federation No. 2252798, IPC: A61N 5/10, 2005.

Известна установка для нейтронно-радиационного анализа, включающая корпус, радиационную защиту с камерой, образованной установленными в шахте нижним и боковыми отражателями нейтронов в виде пластин, размещенный в полости радиационной защиты напротив камеры формирователь потока тепловых нейтронов. Отражатели нейтронов выполнены из неподвижных элементов и одного подвижного элемента с приводом. Средство перемещения контролируемого предмета выполнено в виде рамы и снабжено отражателем нейтронов, установленным на раме в плоскости, перпендикулярной продольной оси горизонтальной шахты. Патент Российской Федерации №2280248, МПК: G01N 23/222, 2006.A known installation for neutron radiation analysis, comprising a housing, radiation protection with a camera formed by the lower and side neutron reflectors installed in the mine in the form of plates, is placed in the radiation protection cavity opposite the camera, a thermal neutron flux shaper. Neutron reflectors are made of fixed elements and one movable element with a drive. The vehicle for moving the controlled object is made in the form of a frame and is equipped with a neutron reflector mounted on the frame in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the horizontal shaft. Patent of the Russian Federation No. 2280248, IPC: G01N 23/222, 2006.

Известно рентгеновское устройство, содержащее источник излучения, средство для размещения образца, коллиматор, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченного конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы. Патент Российской Федерации №2239822, МПК: G01N 23/04, 2004. Прототип.A known X-ray device containing a radiation source, means for placing a sample, a collimator made in the form of a truncated cone or a truncated pyramid with diverging capillary channels for transporting radiation, the walls of which are in the form of a side surface of a truncated cone, or a pyramid, or a cylinder, or a prism. Patent of the Russian Federation No. 2239822, IPC: G01N 23/04, 2004. Prototype.

Известные устройства обеспечивают высокий уровень радиационной безопасности, но при этом характеризуются сложностью конструкции и имеют весьма существенные массу и габариты.Known devices provide a high level of radiation safety, but at the same time are characterized by the complexity of the design and have very significant weight and dimensions.

Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения.The prototype is difficult to manufacture, designed to work with an extended radiation source.

Задачей изобретения является повышение коэффициента преобразования быстрых нейтронов в тепловые и повышение плотности потока тепловых нейтронов в месте расположения исследуемых объектов.The objective of the invention is to increase the conversion rate of fast neutrons to thermal and increase the flux density of thermal neutrons at the location of the studied objects.

Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента преобразования первичных нейтронов, повышение плотности потока тепловых нейтронов на облучаемых образцах до максимально возможной плотности.The technical result of the invention is to increase the conversion coefficient of primary neutrons, increasing the flux density of thermal neutrons on the irradiated samples to the maximum possible density.

Технический результат достигается тем, что в коллиматоре, выполненном в виде усеченной пирамиды с каналом транспортировки излучения, который имеет форму боковой поверхности усеченной пирамиды, меньшее основание коллиматора примыкает непосредственно к выходному каналу блока-замедлителя, выполненного из полиэтилена в виде полого куба, внутри блока-замедлителя установлен конвертер для источника быстрых нейтронов, между торцевой поверхностью конвертера и внутренней поверхностью блока-замедлителя размещен слой полиэтилена с образованием полости, на поверхности блока-замедлителя последовательно расположены конвертер-отражатель из свинца, слой защиты от гамма-излучения из висмута, слой защиты для поглощения тепловых и быстрых нейтронов, по длине коллиматора последовательно дополнительно расположены слой защиты коллиматора, примыкающий к конвертеру-отражателю блока-замедлителя в месте расположения выходного канала, слой защиты коллиматора от тепловых и быстрых нейтронов и слой защиты коллиматора от гамма-излучения, между слоями защиты коллиматора установлены прослойки гадолиния и кадмия.The technical result is achieved by the fact that in a collimator made in the form of a truncated pyramid with a radiation transport channel, which has the shape of a side surface of a truncated pyramid, the smaller base of the collimator is adjacent directly to the output channel of the moderator block made of polyethylene in the form of a hollow cube, inside the block a converter for a fast neutron source is installed, between the end surface of the converter and the inner surface of the moderator block a polyethylene layer is placed with cavity, on the surface of the moderator block, a lead-reflector converter, a protection layer from bismuth gamma radiation, a protection layer for absorbing thermal and fast neutrons are sequentially arranged along the collimator, a collimator protection layer adjacent to the block reflector converter is sequentially additionally located -the moderator at the location of the output channel, the collimator protection layer from thermal and fast neutrons and the collimator protection layer from gamma radiation, between the layers of the collimator protection are installed oyki gadolinium and cadmium.

Внутренняя и внешняя поверхности защиты коллиматора покрыты слоем гадолиния, между слоями защиты коллиматора установлены слои гадолиния и кадмия.The inner and outer surfaces of the collimator protection are covered with a gadolinium layer; between the collimator protection layers, layers of gadolinium and cadmium are installed.

Слой полиэтилена с образованием полости набран из отдельных элементов для изменения ее размеров от 5×5×5 см до 10×10×10 см.The polyethylene layer with the formation of the cavity is drawn from individual elements to change its size from 5 × 5 × 5 cm to 10 × 10 × 10 cm.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 схематично представлен разрез устройства в горизонтальной плоскости, где: 1 - источник быстрых нейтронов (изотопный источник или нейтронный генератор); 2 - блок-замедлитель быстрых нейтронов из полиэтилена в виде полого куба размером 20×20×20 см; 3 - полость блока-замедлителя с размерами от 5×5×5 см до 10×10×10 см; 4 - конвертер из вольфрама площадью 15×15 см и толщиной 2 см; 5 - конвертер-отражатель из свинца толщиной 20 см; 6 - слой защиты, расположенный на блоке-замедлителе, из висмута толщиной 10 см от гамма-излучения; 7 - слой защиты, расположенный на блоке-замедлителе, из борированного полиэтилена толщиной 16 см для поглощения тепловых и быстрых нейтронов; 8 - дополнительная защита из свинца толщиной 20 см; 9 - слой защиты коллиматора из борированного полиэтилена размером 1,5×1,5×0,5 м; 10 - слой защиты коллиматора из висмута размером 120×80×25 см; 11 - коллиматор для тепловых нейтронов выполнен в виде канала в форме усеченной пирамиды, верхнее основание которой (размером 12×12 см) примыкает непосредственно к выходному каналу 3 блока-замедлителя 2. Нижнее основание имеет размеры (30×40 см).The invention is illustrated by drawings. Figure 1 schematically shows a section of the device in the horizontal plane, where: 1 - a source of fast neutrons (isotopic source or neutron generator); 2 - block retarder of fast neutrons from polyethylene in the form of a hollow cube measuring 20 × 20 × 20 cm; 3 - the cavity of the moderator block with sizes from 5 × 5 × 5 cm to 10 × 10 × 10 cm; 4 - a tungsten converter with an area of 15 × 15 cm and a thickness of 2 cm; 5 - lead reflector converter 20 cm thick; 6 - a protection layer located on the moderator block, from bismuth 10 cm thick from gamma radiation; 7 - a protection layer located on the moderator block, from boron polyethylene 16 cm thick for absorption of thermal and fast neutrons; 8 - additional protection from lead with a thickness of 20 cm; 9 - protection layer of a collimator made of boron polyethylene with a size of 1.5 × 1.5 × 0.5 m; 10 - bismuth collimator protection layer with a size of 120 × 80 × 25 cm; 11 - a collimator for thermal neutrons is made in the form of a channel in the form of a truncated pyramid, the upper base of which (12 × 12 cm in size) is adjacent directly to the output channel 3 of the moderator 2. The lower base has dimensions (30 × 40 cm).

Внутренняя часть коллиматора покрыта слоем гадолиния. Длина коллиматора 11, включая длину полости 3 в блоке - замедлителе 2, составляет 1,5 м. Между слоями 8, 9, 10 защиты коллиматора установлены слои гадолиния толщиной 0,2 мм и кадмия толщиной 0,6 мм. Внешняя поверхность защиты также покрыта слоями гадолиния и кадмия.The inside of the collimator is covered with a layer of gadolinium. The length of the collimator 11, including the length of the cavity 3 in the moderator block 2, is 1.5 m. Between layers 8, 9, 10 of the collimator protection layers of gadolinium 0.2 mm thick and 0.6 mm thick cadmium are installed. The outer surface of the protection is also covered with layers of gadolinium and cadmium.

На фиг.2 приведено экспериментальное распределение плотности потока тепловых нейтронов f_т для сплошного блока-замедлителя 2 размером 30×30×30 см и 50×50×50 см вдоль оси, совпадающей с осью блока-замедлителя 2, и результаты теоретического расчета, где: 1 - размер 30×30×30 см; 2 - размер 50×50×50 см; 3 - расчет для замедлителя 30×30×30 см. Как видно из приведенных зависимостей максимум f_т находится в районе 4 см от источника первичных нейтронов и незначительно увеличивается с увеличением размера блока-замедлителя 2. Расчетные данные удовлетворительно совпадают с экспериментальными результатами.Figure 2 shows the experimental distribution of the thermal neutron flux density f _t for a continuous moderator 2 of size 30 × 30 × 30 cm and 50 × 50 × 50 cm along an axis coinciding with the axis of the moderator 2, and the results of a theoretical calculation, where : 1 - size 30 × 30 × 30 cm; 2 - size 50 × 50 × 50 cm; 3 - calculation for the moderator 30 × 30 × 30 cm. As can be seen from the above dependences, the maximum f _t is in the region of 4 cm from the source of primary neutrons and slightly increases with increasing size of the moderator 2. The calculated data are in satisfactory agreement with the experimental results.

На фиг.3 приведено распределение плотности потока тепловых нейтронов f_т вдоль оси блока-замедлителя 2 размером 20×20×20 см при различных толщинах конвертера 4 из вольфрама (толщины: 1 - 0.5 см; 2 - 1 см; 3 - 2 см; 4 - 3 см; 5 - 4 см).Figure 3 shows the distribution of the thermal neutron flux density f _t along the axis of the moderator block 2 of size 20 × 20 × 20 cm at various thicknesses of the tungsten converter 4 (thicknesses: 1 - 0.5 cm; 2 - 1 cm; 3 - 2 cm; 4 - 3 cm; 5 - 4 cm).

Оптимальным является вольфрамовый конвертер 4 размером 15×15×2 см. Применение конвертера 4 повышает долю тепловых нейтронов.Optimal is a tungsten converter 4 with a size of 15 × 15 × 2 cm. The use of converter 4 increases the fraction of thermal neutrons.

На фиг.4 представлена зависимость величины кадмиевого отношения R_Cd в замедлителе из полиэтилена размером 20×20×20 см и свинцового конвертера-отражателя 5 толщиной 10 см от расстояния до источника. При расстоянии от источника в диапазоне от 2,5 см до 20 см величина кадмиевого отношения R_Cd изменялась от 25 до 55 без конвертера-отражателя 5 и от 25 до 80 с конвертером-отражателем 5.Figure 4 shows the dependence of the cadmium ratio R _Cd in a moderator made of polyethylene of size 20 × 20 × 20 cm and lead converter-reflector 5 with a thickness of 10 cm from the distance to the source. When the distance from the source in the range from 2.5 cm to 20 cm, the magnitude of the cadmium ratio R _Cd varied from 25 to 55 without the reflector 5 and from 25 to 80 with the reflector 5.

В области максимума распределения плотности потока тепловых нейтронов f_т величина кадмиевого отношения R_Cd составляет 60-70.In the region of the maximum distribution of the thermal neutron flux density f _{t, the} cadmium ratio R _Cd is 60-70.

На Фиг.5 приведено распределение f_т внутри замедлителя без канала вывода (кривая 1) и на дне канала вывода (кривая 2). Как видно из приведенных данных, распределение f_т в канале практически равномерно. Зависимость распределения плотности потока тепловых нейтронов f_т в замедлителе с вольфрамовым конвертером (2 см): кривая 1 - без канала вывода; кривая 2 - с каналом вывода.Figure 5 shows the distribution of f _t inside the moderator without an output channel (curve 1) and at the bottom of the output channel (curve 2). As can be seen from the above data, the distribution of f _t in the channel is almost uniform. The dependence of the distribution of thermal neutron flux density f _t in a moderator with a tungsten converter (2 cm): curve 1 - without output channel; curve 2 - with an output channel.

На фиг.6 представлены расчетные спектры нейтронов на выходе коллиматора (в центре, кривая 1) и на торцевой поверхности защиты (на расстоянии 20 см от его оси, кривая 2).Figure 6 presents the calculated neutron spectra at the output of the collimator (in the center, curve 1) and on the end surface of the shield (at a distance of 20 cm from its axis, curve 2).

На фиг.7 представлено распределение плотности потока нейтронов в центре на выходе коллиматора и на поверхности защиты на различных расстояниях от оси коллиматора для следующих энергетических интервалов: 0-0,025 эВ - кривая 1; 0,4-100 эВ - кривая 2; 0,1-100 кэВ - кривая 3; 0,1-11 МэВ - кривая 4; 11-14 МэВ - кривая 5.Figure 7 shows the distribution of the neutron flux density in the center at the output of the collimator and on the surface of protection at various distances from the axis of the collimator for the following energy intervals: 0-0.025 eV - curve 1; 0.4-100 eV - curve 2; 0.1-100 keV - curve 3; 0.1-11 MeV - curve 4; 11-14 MeV - curve 5.

Коллиматор работает следующим образом. Быстрые нейтроны источника 1 излучаются в полный телесный угол. Значительная их часть попадает в вольфрамовый конвертер 4. Конвертер 4 расположен между источником быстрых нейтронов 1 и слоем полиэтилена в блоке-замедлителе 2. Экспериментальные исследования показали, что площадь конвертера 4 должна быть не менее 15×15 см и толщиной 2 см.The collimator works as follows. The fast neutrons of source 1 are emitted into a full solid angle. A significant part of them falls into the tungsten converter 4. The converter 4 is located between the fast neutron source 1 and the polyethylene layer in the moderator 2. Experimental studies have shown that the area of the converter 4 should be at least 15 × 15 cm and a thickness of 2 cm.

Для использования в качестве конвертеров 4 эффективны материалы: Be, W, Pb и U. В данном устройстве использован конвертер из вольфрама. При прохождении быстрых нейтронов через вольфрамовый конвертер 4 происходит неупругое рассеяние быстрых нейтронов, при котором в результате одного акта рассеяния нейтрон теряет энергию, что позволяет уменьшить размер полиэтиленового блока-замедлителя 2. Одновременно возникает реакция (n, 2n), сечение которой для большинства изотопов вольфрама составляет около 2 барн. Это приводит к размножению нейтронов и уменьшению их энергии.For use as converters 4 effective materials: Be, W, Pb and U. This device uses a converter of tungsten. During the passage of fast neutrons through tungsten converter 4, inelastic scattering of fast neutrons occurs, in which a neutron loses energy as a result of one scattering event, which reduces the size of the moderator polyethylene block 2. At the same time, the reaction (n, 2n) occurs, the cross section of which for most tungsten isotopes is about 2 bar. This leads to the multiplication of neutrons and a decrease in their energy.

Быстрые нейтроны попадают в полиэтиленовый блок-замедлитель 2, в котором испытывают столкновения с ядрами водорода. В результате столкновения быстрые нейтроны замедляются до энергии 0,07 эВ, близкой к энергии тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны, рожденные в полиэтиленовом блоке-замедлителе 2, пронизывают полость 3 блока-замедлителя 2 и сталкиваются с материалом конвертера-отражателя 5. При этом они частично испытывают отражение обратно в блок-замедлитель 2. Дополнительно, конвертер-отражатель 5 преобразует не замедлившиеся еще быстрые нейтроны за счет реакции (n, 2n), как и в конвертере 4 около источника быстрых нейтронов 1.Fast neutrons fall into the polyethylene moderator 2, in which they experience collisions with hydrogen nuclei. As a result of the collision, fast neutrons slow down to an energy of 0.07 eV, which is close to the energy of thermal neutrons. Thermal neutrons generated in the polyethylene moderator 2 penetrate the cavity 3 of the moderator 2 and collide with the material of the reflector 5. In addition, they partially reflect back into the moderator 2. Additionally, the reflector 5 converts not slowed down yet fast neutrons due to the reaction (n, 2n), as in converter 4 near the source of fast neutrons 1.

Тепловые нейтроны, не испытавшие отражение от стенок конвертера-отражателя 5, вытекают наружу и поглощаются в основном в слое защиты 7 из борированного полиэтилена. Частично тепловые нейтроны поглощаются внутри блока-замедлителя 2 в результате неупругого рассеяния на водороде.Thermal neutrons that have not experienced reflection from the walls of the reflector-converter 5 leak out and are absorbed mainly in the protective layer 7 of boron polyethylene. Partially thermal neutrons are absorbed inside the moderator 2 as a result of inelastic scattering by hydrogen.

Гамма-излучение, возникающее в результате неупругого рассеяния тепловых нейтронов в блоке-замедлителе 2, ослабляется в конвертере-отражателе 5 и дополнительно в слое защиты 6 из висмута. Слой защиты 6 из висмута позволяет уменьшить выходящее из источника фоновое гамма излучение, так как, в отличие от свинца, количество рожденных в нем гамма-квантов из-за неупругого рассеяния быстрых нейтронов, примерно, в 10 раз меньше, чем в свинце.The gamma radiation resulting from the inelastic scattering of thermal neutrons in the moderator 2 is attenuated in the reflector 5 and additionally in the protective layer 6 of bismuth. The protection layer 6 from bismuth makes it possible to reduce the background gamma radiation emerging from the source, since, unlike lead, the number of gamma rays generated in it due to inelastic scattering of fast neutrons is about 10 times less than in lead.

Поток тепловых нейтронов выходит из блока-замедлителя 2 и попадает в коллиматор 11, на выходе которого расположен исследуемый объект. Для уменьшения рассеяния тепловых нейтронов внутренняя поверхность коллиматора 11 покрыта прослойкой гадолиния толщиной 0,1 мм.The thermal neutron flux leaves the moderator 2 and enters the collimator 11, at the output of which the studied object is located. To reduce the scattering of thermal neutrons, the inner surface of the collimator 11 is covered with a 0.1 mm thick gadolinium layer.

Claims

1. A collimator made in the form of a truncated pyramid with a radiation transport channel, which has the shape of a side surface of a truncated pyramid, characterized in that the smaller base of the collimator is adjacent directly to the output channel of the moderator block made of polyethylene in the form of a hollow cube inside the moderator block a converter for a fast neutron source is installed, between the end surface of the converter and the inner surface of the moderator block a layer of polyethylene is placed with the formation of a cavity, on the surface The lead-reflector block, the bismuth gamma radiation protective layer, the protective layer for absorbing thermal and fast neutrons are sequentially arranged in the moderator block, the lead collimator protection layer, the collimator protection layer from thermal and fast neutrons are sequentially arranged along the length of the collimator and a layer of protection of the collimator from gamma radiation, between the layers of protection of the collimator installed layers of gadolinium and cadmium.

2. The collimator according to claim 1, characterized in that the inner and outer surfaces of the collimator protection are covered with a layer of gadolinium, between the layers of protection of the collimator there are layers of gadolinium and cadmium.

3. The collimator according to claim 1 or 2, characterized in that the polyethylene layer with the formation of a cavity is drawn from individual elements to change its size from 5 × 5 × 5 cm to 10 × 10 × 10 cm