RU2413246C1 - Solid-state neutron detector - Google Patents
Solid-state neutron detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2413246C1 RU2413246C1 RU2009136555/28A RU2009136555A RU2413246C1 RU 2413246 C1 RU2413246 C1 RU 2413246C1 RU 2009136555/28 A RU2009136555/28 A RU 2009136555/28A RU 2009136555 A RU2009136555 A RU 2009136555A RU 2413246 C1 RU2413246 C1 RU 2413246C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- signals
- radiation
- scintillator
- semiconductor photodetector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к твердотельному детектору нейтронов для детектирования нейтронов при наличии существенного γ-излучения, а также рентгеновского и/или β-излучения.The invention relates to a solid-state neutron detector for detecting neutrons in the presence of substantial γ-radiation, as well as x-ray and / or β-radiation.
Измерение и подсчет нейтронов является очень важной задачей. Нейтроны испускаются, например, определенными ядерными материалами, наподобие реакторного и/или оружейного плутония, при этом такие вещества часто не испускают другое излучение, которое может проникать через толстую оболочку. Поэтому детектирование нейтронов может указать или даже подтвердить наличие таких ядерных материалов.The measurement and counting of neutrons is a very important task. Neutrons are emitted, for example, by certain nuclear materials, such as reactor and / or weapons-grade plutonium, while such substances often do not emit other radiation that can penetrate through a thick shell. Therefore, neutron detection can indicate or even confirm the presence of such nuclear materials.
Согласно стандартам ANSI портативные устройства для идентификации нуклидов, которые используются, например, на пограничных пропускных пунктах, должны включать в себя детектор нейтронов. Измерение нейтронов также является важным в дозиметрии, проводимой в лабораториях и на ядерных установках.According to ANSI standards, portable nuclide identification devices that are used, for example, at border crossing points, must include a neutron detector. Neutron measurement is also important in dosimetry performed in laboratories and nuclear facilities.
Поскольку нейтроны не ионизируют вещество, все известные детекторы нейтронов основаны на реакциях между нейтроном и другим нуклидом, генерируя таким образом вторичные заряженные частицы или γ-излучение. Поэтому стандартный процесс детектирования обычно состоит из двух этапов: конверсии нейтронов, которая представляет собой генерацию вторичного излучения в среде конвертера, например с помощью рассеяния нейтронов или индуцированных нейтронами реакций, подобных ядерному делению, прямых ядерных реакций, захвата нейтронов с последующим γ-излучением или излучением заряженных частиц и т.п. Затем эту вторичную радиацию измеряют с помощью обычных детекторов ядерного излучения в "среде детектирования".Since neutrons do not ionize matter, all known neutron detectors are based on reactions between a neutron and another nuclide, thus generating secondary charged particles or γ-radiation. Therefore, the standard detection process usually consists of two stages: neutron conversion, which is the generation of secondary radiation in a converter medium, for example, by neutron scattering or neutron-induced reactions like nuclear fission, direct nuclear reactions, neutron capture, followed by γ-radiation or radiation charged particles, etc. This secondary radiation is then measured using conventional nuclear radiation detectors in a "detection medium".
В случае детектирования нейтронов оба процесса могут быть пространственно разделенными, т.е. среды конвертера и детектирования являются разными, или могут не быть пространственно разделенными, а именно, когда среда конвертера является также и средой детектирования.In the case of neutron detection, both processes can be spatially separated, i.e. converter and detection environments are different, or may not be spatially separated, namely, when the converter environment is also a detection environment.
Среда детектирования обязательно должна быть чувствительной к ионизирующему излучению. Следовательно, если необходимо проводить детектирование нейтронов в смешанных областях, например в среде с повышенным γ-излучением, важное значение имеет способность выделения нейтронного сигнала на фоне других сигналов. Поэтому детекторы нейтронов в портативных устройствах идентификации изотопов не должны детектировать γ-излучение любого возможно присутствующего радионуклида. Даже в случае сильного источника γ-излучения, γ-излучение не должно генерировать ложные нейтронные сигналы.The detection medium must be sensitive to ionizing radiation. Therefore, if it is necessary to carry out neutron detection in mixed regions, for example, in a medium with increased γ-radiation, the ability to distinguish a neutron signal from other signals is important. Therefore, neutron detectors in portable isotope identification devices should not detect the gamma radiation of any radionuclide present. Even in the case of a strong source of gamma radiation, gamma radiation should not generate false neutron signals.
Самый обычный детектор тепловых нейтронов, применяемый практически во всех областях, где главным является надежность, представляет собой пропорциональный счетчик, заполненный газом 3Не. 3Не является одновременно и средой конвертера, и средой детектирования.The most common thermal neutron detector used in almost all areas where reliability is paramount is a proportional counter filled with 3 He gas. 3 It is not both a converter environment and a detection environment.
Большим недостатком детекторов такого типа является эффективность детектирования нейтронов, которая примерно пропорциональна произведению объема на давление газа. Поэтому такой детектор либо должен иметь большой объем, либо газ должен находиться под высоким давлением. Как следствие, детектор либо не может быть использован в портативных устройствах идентификации из-за своего большого объема, либо возможность транспортировки такого портативного устройства ограничена, поскольку необходимо соблюдать инструкции по транспортировке устройств под высоким давлением, например при транспортировке в самолете.A big disadvantage of this type of detector is the neutron detection efficiency, which is approximately proportional to the product of the volume and gas pressure. Therefore, such a detector must either have a large volume or the gas must be under high pressure. As a result, the detector either cannot be used in portable identification devices because of its large volume, or the possibility of transporting such a portable device is limited, because it is necessary to follow the instructions for transporting devices under high pressure, for example, when transporting on an airplane.
В принципе, детекторы нейтронов с твердыми средами конвертера являются более подходящими с точки зрения эффективности детектирования на единицу объема, при этом отсутствуют какие-либо проблемы, связанные с устройствами, содержащими газ под высоким давлением. Такие детекторы с твердыми средами часто представляют собой кристаллы-сцинтилляторы, содержащие литий (6Li), кадмий (Cd), бор (10В) или другие конвертеры нейтронов. Такой кристалл-сцинтиллятор называется "нейтронным сцинтиллятором". Такой нейтронный сцинтиллятор может представлять собой, например, 6LiI(Еu), как описано у Knoll, Radiation Detection and Mesurement, 3rd Edition 2000, p.517.In principle, neutron detectors with solid converter media are more suitable in terms of detection efficiency per unit volume, while there are no problems associated with devices containing high-pressure gas. Such solid-state detectors are often scintillator crystals containing lithium ( 6 Li), cadmium (Cd), boron (10B), or other neutron converters. Such a crystal scintillator is called a "neutron scintillator." Such a neutron scintillator can be, for example, 6 LiI (Eu), as described by Knoll, Radiation Detection and Mesurement, 3 rd Edition 2000, p. 517.
В таком кристалле 6Li захватывает тепловой нейтрон, генерируя таким образом ион трития (3Н) и α-частицу с общей энергией, равной примерно 4,8 МэВ. Из-за относительно малого времени высвечивания этого кристалла 6LiI(Eu) световые сигналы после захвата нейтронов соответствуют сигналам, которые могли бы быть сгенерированы γ-излучением с энергией, превышающей 3 МэВ.In such a crystal, 6 Li captures a thermal neutron, thus generating a tritium ion ( 3 N) and an α-particle with a total energy of approximately 4.8 MeV. Due to the relatively short emission time of this 6 LiI (Eu) crystal, the light signals after neutron capture correspond to signals that could be generated by γ radiation with an energy exceeding 3 MeV.
Поскольку все релевантные радионуклиды не испускают γ-излучение с такими высокими энергиями, световые сигналы, испускаемые кристаллом-сцинтиллятором 6LiI(Eu), могут быть разделены по энергии.Since all relevant radionuclides do not emit gamma radiation with such high energies, the light signals emitted by the 6 LiI (Eu) crystal scintillator can be separated by energy.
Недостатком этого предшествующего уровня техники является то, что такие детекторы должны использоваться совместно с фотоумножителями, такими как детекторы света. Другие детекторы света, а именно полупроводниковые фотодетекторы, также чувствительны к γ-излучению, и таким образом, действуя в качестве γ-детекторов, сами генерируют намного более сильный сигнал на единицу выделенной энергии γ-излучения по сравнению с столкновениями нейтронов в сцинтилляторе. Это происходит из-за того, что выделяемая в сцинтилляторе γ-энергия сначала преобразуется в световой импульс, генерирующий в полупроводниковом фотодетекторе фотоэлектроны только на втором этапе.A disadvantage of this prior art is that such detectors should be used in conjunction with photomultipliers, such as light detectors. Other light detectors, namely semiconductor photodetectors, are also sensitive to γ radiation, and thus, acting as γ detectors, they themselves generate a much stronger signal per unit of the released γ radiation energy compared to neutron collisions in a scintillator. This is due to the fact that the γ-energy released in the scintillator is first converted into a light pulse, which generates photoelectrons in the semiconductor photodetector only in the second stage.
Как следствие, с помощью анализа высоты импульса можно отличить сигналы захвата нейтронов от γ-событий в сцинтилляторе, но нельзя отличить сигналы захвата нейтронов в сцинтилляторе от γ- или рентгеновских событий с намного более низкой энергией, возникающих непосредственно в полупроводниковом фотодетекторе.As a result, by analyzing the pulse height, it is possible to distinguish neutron capture signals from γ-events in a scintillator, but it is impossible to distinguish neutron capture signals from a scintillator from γ- or X-ray events with much lower energy that occur directly in a semiconductor photodetector.
Следовательно, такой детектор мог бы использоваться только для детектирования нейтронов в среде, в которой в той или иной степени отсутствует γ-излучение. Поскольку такие среды не являются, по меньшей мере вне лаборатории, средами, которые имеют определенную практическую значимость, это не является оптимальным решением.Therefore, such a detector could only be used to detect neutrons in a medium in which, to one degree or another, there is no gamma radiation. Since such media are not, at least outside the laboratory, media that have a certain practical significance, this is not an optimal solution.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставление очень компактного детектора нейтронов, в котором отсутствуют недостатки предшествующего уровня техники, в частности недостаток, связанный с необходимостью использовать устройство, содержащее газ под высоким давлением. Эта задача решается с помощью детектора нейтронов по п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.Thus, it is an object of the present invention to provide a very compact neutron detector in which there are no disadvantages of the prior art, in particular a disadvantage associated with the need to use a device containing high pressure gas. This problem is solved using the neutron detector according to claim 1 of the claims. Preferred embodiments are disclosed in the dependent claims.
Изобретение предоставляет детектор нейтронов для детектирования нейтронов при наличии существенного γ- или β-излучения, содержащий чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор, обеспечивающий сигнал захвата нейтронов, превышающий сигнал захвата γ-излучения, имеющего энергию 3 МэВ. Кроме того, он содержит полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых с помощью прямого детектирования ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе.The invention provides a neutron detector for detecting neutrons in the presence of substantial γ- or β-radiation, containing a neutron-sensitive crystal scintillator, providing a neutron capture signal exceeding the capture signal of γ-radiation having an energy of 3 MeV. In addition, it comprises a semiconductor photodetector optically coupled to a crystal scintillator, the crystal scintillator and a semiconductor photodetector being selected so that the total charge collection time for the scintillator signals in the semiconductor photodetector exceeds the total charge collection time for signals generated by direct detection ionizing radiation in a semiconductor photodetector.
В настоящем описании время сбора полного заряда означает время, которое необходимо для сбора всех носителей заряда, формирующих сигнал детектора на собирающем электроде фотодетектора, измеряемое с момента возникновения сигнала (поступления в собирающий электрод первых носителей заряда).In the present description, the time of collection of the full charge means the time it takes to collect all the charge carriers that form the detector signal on the collecting electrode of the photodetector, measured from the moment the signal occurs (the first charge carriers arrive at the collecting electrode).
Время сбора полного заряда соответствует времени нарастания сигнала заряда или длине токового сигнала, измеренной на собирающем электроде. В случае взаимодействия ионизирующего излучения непосредственно с веществом фотодетектора время сбора полного заряда определяется только длиной дрейфа и скоростью дрейфа носителей заряда в полупроводнике и геометрией собирающего заряд электрода. Начальное пространственное распределение сгенерированных носителей заряда соответствует треку ионизирующей частицы.The collection time of the full charge corresponds to the rise time of the charge signal or the length of the current signal measured at the collecting electrode. In the case of the interaction of ionizing radiation directly with the substance of the photodetector, the total charge collection time is determined only by the drift length and the drift velocity of the charge carriers in the semiconductor and the geometry of the charge-collecting electrode. The initial spatial distribution of the generated charge carriers corresponds to the track of the ionizing particle.
В случае сигналов сцинтиллятора носители заряда генерируются в виде фотоэлектронов, локализованных близко к поверхности фотодетектора и распределенных по всей области, подверженной воздействию света сцинтиллятора. Время сбора заряда может очень сильно отличаться от времени сбора заряда для трека ионизирующей частицы, в частности, если фотодетектор представляет собой кремниевый дрейфовый детектор (SDD). При этом пространственное распределение фотоэлектронов отражено в распределении времени поступления в собирающий электрод, которое значительно превышает распределение для локализованного заряда, соответствующего треку ионизирующей частицы.In the case of scintillator signals, charge carriers are generated in the form of photoelectrons localized close to the surface of the photodetector and distributed over the entire area exposed to the light of the scintillator. The charge collection time can be very different from the charge collection time for a track of an ionizing particle, in particular if the photodetector is a silicon drift detector (SDD). In this case, the spatial distribution of photoelectrons is reflected in the distribution of the time of arrival to the collecting electrode, which significantly exceeds the distribution for the localized charge corresponding to the track of the ionizing particle.
Кроме того, продолжительность светового импульса сцинтиллятора, обуславливаемая временем высвечивания, может внести значимый вклад в время сбора полного заряда. Тогда время сбора полного заряда определяется комбинацией обоих эффектов.In addition, the duration of the light pulse of the scintillator, determined by the time of emission, can make a significant contribution to the time of collection of the full charge. Then the total charge collection time is determined by a combination of both effects.
Примерами таких устройств являются сцинтиллятор со временем высвечивания, превышающим обычное время сбора заряда в фотодиоде (PD) или лавинном фотодиоде (APD), соединенный с PD или APD.Examples of such devices are a scintillator with a flash time longer than the usual charge collection time in a photodiode (PD) or avalanche photodiode (APD) connected to a PD or APD.
Альтернативным вариантом является использование сцинтиллятора либо с длинным, либо с коротким временем высвечивания, соединенного с кремниевым дрейфовым детектором (SDD), поскольку SDD имеет относительно короткое время сбора полного заряда для треков заряженных частиц, сгенерированных ионизирующим излучением в кремнии, но значительно большее время сбора полного заряда для диффузно рассеянного облака фотоэлектронов, образованных при событиях сцинтилляции.An alternative is to use a scintillator with either a long or short exposure time coupled to a silicon drift detector (SDD), since SDD has a relatively short total charge collection time for charged particle tracks generated by ionizing radiation in silicon, but a significantly longer total collection time charge for a diffusely scattered cloud of photoelectrons formed during scintillation events.
Кроме того, существует доступные устройства для сэмплирования сигналов детектора и устройства обработки цифрового сигнала, а также средства, которые различают прямые сигналы, поступающие из полупроводникового фотодетектора, получаемые в результате γ- или β-излучения и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от световых сигналов, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, будучи испускаемыми кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя разницу между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора и временем сбора полного заряда для сигналов, генерируемых детектированием ионизирующего излучения непосредственно в полупроводниковом фотодетекторе. Детектор также содержит средство, которое различает индуцированные нейтронами сигналы от индуцируемых γ- или β-излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя разницу между числом фотонов, генерируемых излучением нейтронов и γ-излучением, в интересующей области.In addition, there are available devices for sampling detector signals and digital signal processing devices, as well as means that distinguish between direct signals coming from a semiconductor photodetector resulting from γ or β radiation and at least partially absorbed by a semiconductor photodetector from light the signals entering the semiconductor photodetector, being emitted by a scintillator crystal after capturing at least one neutron, by separation according to the shape of the pulse, using the difference between the total charge collection time for the scintillator signals and the total charge collection time for the signals generated by the detection of ionizing radiation directly in the semiconductor photodetector. The detector also contains a means that distinguishes between neutron-induced signals from signals induced by γ- or β-radiation in a scintillator crystal by separating different signals by their pulse height, using the difference between the number of photons generated by neutron radiation and γ-radiation in the region of interest.
В предпочтительном варианте осуществления полупроводниковый фотодетектор выбирают из группы детекторов, содержащей фотодиод (PD), дрейфовый фотодиод (APD) и кремниевый дрейфовый детектор (SDD).In a preferred embodiment, the semiconductor photodetector is selected from the group of detectors comprising a photodiode (PD), a drift photodiode (APD), and a silicon drift detector (SDD).
Предпочтительно, чтобы время высвечивания кристалла-сцинтиллятора превышало 100 нс, например, путем использования кристалла-сцинтиллятора, содержащего 6LiI(Eu).Preferably, the scintillator crystal has a flash time of more than 100 ns, for example, by using a scintillator crystal containing 6 LiI (Eu).
Можно использовать кристалл-сцинтиллятор, размер которого не превышает 2 см3, предпочтительно не превышает 0,5 см3.You can use a crystal scintillator, the size of which does not exceed 2 cm 3 , preferably does not exceed 0.5 cm 3 .
При детектировании отличающихся от тепловых нейтронов частиц, используя представленный в изобретении детектор, выгодно использовать окружающую замедляющую нейтроны среду, замедляющую быстрые нейтроны, с тем, чтобы в кристалл-сцинтиллятор попадали главным образом тепловые нейтроны.When detecting particles that are different from thermal neutrons, using the detector of the invention, it is advantageous to use a surrounding neutron-slowing medium that slows down fast neutrons so that mainly thermal neutrons enter the crystal scintillator.
Изобретение также предоставляет полную детекторную систему, содержащую детектор нейтронов, как описано выше, в комбинации с сэмплирующей электроникой и компьютерной программой, выполненной с возможностью оценки измеренных и сэмплированных данных, и особенно с возможностью анализа формы импульса указанных данных.The invention also provides a complete detector system comprising a neutron detector, as described above, in combination with a sampling electronics and a computer program configured to evaluate measured and sampled data, and especially with the possibility of analyzing the pulse shape of said data.
Еще более предпочтительным является объединение такого детектора нейтронов, который может быть реализован в очень компактном устройстве, с детекторами другого излучения, например с γ-детектором, разработанным для спектроскопии. Такой объединенный детектор особенно полезен для обеспечения национальной безопасности, поскольку его можно использовать как портативный идентификатор радиоизотопов.Even more preferred is the combination of such a neutron detector, which can be implemented in a very compact device, with detectors of other radiation, for example with a γ-detector designed for spectroscopy. Such an integrated detector is particularly useful for national security, as it can be used as a portable identifier for radioisotopes.
Детектор нейтронов, предоставляемый изобретением, также можно использовать как γ-детектор, поскольку сцинтиллятор также детектирует γ-излучение.The neutron detector provided by the invention can also be used as a γ detector, since the scintillator also detects γ radiation.
Конкретный пример изобретения описан ниже.A specific example of the invention is described below.
На Фиг.1 показана принципиальная схема детектора.Figure 1 shows a schematic diagram of a detector.
На Фиг.2 показаны сигналы, измеренные таким детектором.Figure 2 shows the signals measured by such a detector.
На Фиг.3 показан двухмерный спектр, полученный путем разделения по форме импульса сигналов.Figure 3 shows a two-dimensional spectrum obtained by dividing the waveform of the signals.
На Фиг.1 показана принципиальная схема детектора согласно этому варианту осуществления. Кристалл 10 6LiI(Eu) соединен с полупроводниковым фотодиодом 20. Нейтроны, поступающие в кристалл 6LiI(Eu), захватываются ионами 6Li. Продукты реакции, α-частицы и частицы трития полностью останавливаются в кристалле-сцинтилляторе, 10, генерируя таким образом в этом кристалле возбужденные состояния. Возбужденные состояния высвечиваются за время высвечивания порядка 1 мкс.1 is a schematic diagram of a detector according to this embodiment. The 10 6 LiI (Eu) crystal is connected to the
Затем испускаемый свет собирается фотодетектором 20, который выдает электрический сигнал, этот сигнал направляется в предусилитель 30 и затем в электронный блок 35, причем электронный блок 35 отвечает за сэмплирование и анализ высоты импульса и формы импульса сигналов, выдаваемых предусилителем.Then, the emitted light is collected by the
Для обеспечения возможности детектирования не только тепловых нейтронов, кристалл 10 6LiI(Eu) окружают замедлителем 15. Замедлитель 15 замедляет более быстрые нейтроны до тепловых энергий таким образом, чтобы они могли быть захвачены и, следовательно, детектированы кристаллом 10 6LiI(Eu).To enable detection of not only thermal neutrons, a 10 6 LiI (Eu) crystal is surrounded by a moderator 15. The moderator 15 slows the faster neutrons to thermal energies so that they can be captured and, therefore, detected by a 10 6 LiI (Eu) crystal.
Кристалл-сцинтиллятор 10 также реагирует на γ-излучение, рассеиваемое или останавливаемое в кристалле, генерируя таким образом сцинтилляционное световое излучение, также детектируемое фотодетектором 20.The crystal scintillator 10 also responds to γ radiation scattered or stopped in the crystal, thereby generating scintillation light radiation, also detected by the
Поскольку используемое в кристалле-сцинтилляторе 10 вещество выбирают таким образом, чтобы световой выход, соответствующий захвату медленных (тепловых) нейтронов, был эквивалентен световому выходу, генерируемому при измерении γ-излучения с энергией, превышающей 3 МэВ, и, в то же самое время, поскольку γ-излучение, испускаемое из природных источников радионуклидов, имеет энергию ниже 3 МэВ, эти два сигнала могут быть четко разделены с помощью анализа высоты импульса.Since the substance used in the scintillator crystal 10 is selected so that the light output corresponding to the capture of slow (thermal) neutrons is equivalent to the light output generated by measuring γ radiation with an energy exceeding 3 MeV, and at the same time, Since the gamma radiation emitted from natural sources of radionuclides has an energy below 3 MeV, these two signals can be clearly separated by analyzing the pulse height.
γ-Сигнал в 6LiI(Eu), который можно видеть на Фиг.2, можно четко отличить от сигнала захвата нейтронов в 6LiI(Eu) по его энергии.The γ signal of 6 LiI (Eu), which can be seen in FIG. 2, can be clearly distinguished from the neutron capture signal of 6 LiI (Eu) by its energy.
Полупроводниковый фотодетектор 20, который в настоящем варианте осуществления представляет собой фотодиод, не останавливает значительное количество медленных нейтронов, но, как все полупроводниковые устройства, также является детектором γ-излучения. На Фиг.2 также показаны сигналы, получаемые от такого γ-излучения, взаимодействующего непосредственно с фотодиодом 20. Однако даже если они в общем случае имеют более высокую энергию по отношению к сигналам захвата нейтронов, они, тем не менее, создают значительный шум по отношению к сигналам 50 захвата нейтронов. Это можно видеть на показанном на Фиг.3 спектре, обсуждение которого приведено ниже.The
Для того чтобы соответствовать ANSI и другим (например, IAEA) стандартам чувствительности для нейтронов, в портативных устройствах идентификации радионуклидов необходимо получить предупредительный сигнал о наличии нейтронов, исходя из единичных отсчетов нейтронов, например, в случае детектирования двух нейтронов в течение 5 секунд. Следовательно, требуется надежное детектирование нейтронов и, следовательно, способность отличать нейтронные сигналы от безопасного фона.In order to comply with ANSI and other (e.g. IAEA) neutron sensitivity standards, portable radionuclide identification devices need to receive a warning signal about the presence of neutrons based on single neutron counts, for example, in the case of detecting two neutrons within 5 seconds. Therefore, reliable neutron detection and, therefore, the ability to distinguish neutron signals from a safe background are required.
В детекторах, как известно из уровня техники, фотодетектор представляет собой фотоумножитель, не чувствительный к γ-излучению. Однако такой фотоумножитель является сложным и очень большим устройством, не подходящим для портативных детекторов.In the detectors, as is known from the prior art, the photodetector is a photomultiplier that is not sensitive to γ radiation. However, such a photomultiplier is a complex and very large device, not suitable for portable detectors.
В изобретении, как описано в данном варианте осуществления, используется физический эффект, при котором время сбора заряда в фотодиоде 20 меньше, чем время высвечивания в кристалле-сцинтилляторе 10. Поэтому выдаваемые фотодетектором 20 сигналы действительно имеют разную форму импульса, если сравнивать их зависимость от времени.In the invention, as described in this embodiment, a physical effect is used in which the charge collection time in the
В настоящем изобретении этот эффект используется для различения с помощью анализа формы импульса сигналов из кристалла-сцинтиллятора, индуцированных нейтронами, и сигналов из фотодиода, индуцированных γ-излучением. Поскольку, в то же самое время, с помощью анализа высоты импульса можно отличить сигналы, индуцированные нейтронами в сцинтилляторе, от сигналов, индуцированных γ-излучением в сцинтилляторе, все три типа сигналов можно отличить, используя совместно анализ высоты импульса и формы импульса.In the present invention, this effect is used to distinguish by analysis of the pulse shape of the signals from the crystal-scintillator induced by neutrons and the signals from the photodiode induced by γ-radiation. Since, at the same time, using the analysis of the height of the pulse, it is possible to distinguish the signals induced by neutrons in the scintillator from the signals induced by γ-radiation in the scintillator, all three types of signals can be distinguished using the analysis of the height of the pulse and the shape of the pulse.
Анализ формы импульса можно проводить, используя аналоговую и цифровую электронику. Поскольку проведение такого анализа формы импульса с помощью аналоговой электроники является действительно сложным, и, следовательно, предполагает наличие сложных и дорогостоящих устройств внутри детектора, в варианте осуществления изобретения предлагается устройство сэмплирования сигналов, выполняющее оцифровку выходных сигналов фотодетектора.The analysis of the pulse shape can be carried out using analog and digital electronics. Since conducting such an analysis of the pulse shape using analog electronics is really difficult, and therefore involves complex and expensive devices inside the detector, an embodiment of the invention provides a signal sampling device for digitizing the output signals of a photo detector.
Затем выполняется дальнейшая оценка полученного сэмплированного цифрового сигнала с помощью устройства обработки цифровых сигналов, выполненного с возможностью выполнению такого анализа формы импульса.Then, a further evaluation of the obtained sampled digital signal is performed using a digital signal processing device configured to perform such an analysis of the pulse shape.
На Фиг.3 приведен двухмерный график, показывающий выходные сигналы после проведения анализа формы импульса.Figure 3 shows a two-dimensional graph showing the output signals after analysis of the pulse shape.
По оси Х показана энергия измеренных сигналов, а по оси Y показана мера для формы импульса. Индуцированные нейтронами сигналы 50 можно четко отличить от индуцированных γ-излучением сигналов 40, испускаемых сцинтиллятором, индуцированных γ-излучением сигналов в фотодиоде 60 и фонового шума 70.The X-axis shows the energy of the measured signals, and the Y-axis shows a measure for the shape of the pulse. The neutron-induced
Как уже упоминалось выше, индуцированные γ-излучением сигналы 60 в фотодиоде, по-видимому, как правило имеют более высокую энергию, чем индуцированные нейтронами сигналы 50, но все же, по-видимому, значительное количество индуцированных γ-излучением сигналов 60 в фотодиоде обладает такой же энергией что и индуцированные нейтронами сигналы 50. Поскольку приведенный выше стандарт ANSI действительно требует надежного детектирования единичных нейтронов, такой γ-шум не приемлем для соответствующих устройств. Поэтому в детекторе согласно настоящему изобретению для таких сигналов объединены анализ высоты импульса и анализ формы импульса, позволяя таким образом выделять как индуцированные γ-излучением сигналы 40, поступающие из сцинтиллятора, так и индуцированные γ-излучением сигналы 60, поступающие из фотодиода.As mentioned above, the γ-radiation-induced
Перед использованием детектор согласно настоящему варианту осуществления должен быть сначала откалиброван, включая установку окна относительно сигналов, получаемых от γ-излучения, поглощенного фотодиодом, разделяющим эти сигналы. Тогда полученный спектр будет содержать только сигналы, сгенерированные испускаемым кристаллом-сцинтиллятором 10 светом, которые являются сигналами, полученными от γ-излучения и излучения нейтронов, поглощенного указанным кристаллом.Before use, the detector according to the present embodiment must first be calibrated, including installing a window with respect to the signals received from the γ radiation absorbed by the photodiode separating these signals. Then, the resulting spectrum will contain only the signals generated by the light emitted by the scintillator crystal 10, which are signals obtained from γ radiation and neutron radiation absorbed by said crystal.
Если установить окно высоты импульса на относящейся к нейтронам области 50 на Фиг.3, то полученный сигнал будет содержать, после отделения всех индуцированных γ-излучением сигналов 60, поступивших из фотодиода, только индуцированные нейтронами сигналы.If you set the pulse height window on the neutron-related
В результате объединения согласно изобретению подходящего кристалла-сцинтиллятора с полупроводниковым фотодетектором, например фотодиодом или лавинным фотодиодом и т.п., совместно с устройством сэмплирования и цифровой электроникой, предоставляется возможность для проведения анализа высоты импульса и формы импульса, что дает в результате очень маленький, компактный и надежный детектор для детектирования нейтронов. Поскольку этот детектор не содержит находящегося под давлением газа, его можно также легко транспортировать самолетом.As a result of combining, according to the invention, a suitable scintillator crystal with a semiconductor photodetector, for example a photodiode or an avalanche photodiode, etc., together with a sampling device and digital electronics, it is possible to analyze the pulse height and pulse shape, which results in a very small, compact and reliable detector for neutron detection. Since this detector does not contain pressurized gas, it can also be easily transported by plane.
Эксперименты показали, что кристалл 6LiI(Eu) с объемом, не превышающим 1/2 см3, является достаточным для соответствия стандарту ANSI по детектированию медленных нейтронов. Поэтому детектор согласно настоящему изобретению является значимым этапом в направлении дальнейшей миниатюризации и увеличения разнообразия портативных устройств для идентификации радиоизотопов.Experiments have shown that a 6 LiI (Eu) crystal with a volume not exceeding 1/2 cm 3 is sufficient to comply with the ANSI slow neutron detection standard. Therefore, the detector according to the present invention is a significant step towards further miniaturization and increasing the variety of portable devices for identifying radioisotopes.
Claims (7)
чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор, обеспечивающий сигнал захвата нейтрона, который превышает сигнал захвата γ-излучения с энергией 3 МэВ,
полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственно детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе,
устройство сэмплирования сигналов детектора,
устройство цифровой обработки сигналов,
средство, которое различает сигналы непосредственно из полупроводникового фотодетектора, индуцированные γ- или β-излучением и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от световых сигналов, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, испускаемых кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя различие между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора от времени сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственным детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе,
средство, которое отличает индуцированные нейтронами сигналы от индуцированных γ-излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя различие между количеством фотонов, сгенерированных нейтроном и γ-излучением, в интересующей области.1. A neutron detector for detecting neutrons in areas with significant γ or β radiation, comprising:
neutron-sensitive crystal scintillator providing a neutron capture signal that exceeds the capture signal of γ-radiation with an energy of 3 MeV,
a semiconductor photodetector optically coupled to the scintillator crystal, the scintillator crystal and the semiconductor photodetector being selected so that the total charge collection time for the scintillator signals in the semiconductor photodetector exceeds the total charge collection time for signals generated directly by the detection of ionizing radiation in the semiconductor photodetector
detector signal sampling device,
digital signal processing device,
means that distinguishes signals directly from the semiconductor photodetector induced by γ or β radiation and at least partially absorbed by the semiconductor photodetector from light signals entering the semiconductor photodetector emitted by the scintillator crystal after capturing at least one neutron by separation pulse shape, using the difference between the total charge collection time for the scintillator signals and the total charge collection time for the signals generated directly detection of ionizing radiation in a semiconductor photodetector,
means that distinguishes neutron-induced signals from γ-induced signals in a scintillator crystal by separating different signals by their pulse height, using the difference between the number of photons generated by a neutron and γ-radiation in the region of interest.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009136555/28A RU2413246C1 (en) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Solid-state neutron detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009136555/28A RU2413246C1 (en) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Solid-state neutron detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2413246C1 true RU2413246C1 (en) | 2011-02-27 |
Family
ID=46310715
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009136555/28A RU2413246C1 (en) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Solid-state neutron detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2413246C1 (en) |
-
2007
- 2007-03-05 RU RU2009136555/28A patent/RU2413246C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7388206B2 (en) | Pulse shape discrimination method and apparatus for high-sensitivity radioisotope identification with an integrated neutron-gamma radiation detector | |
| US8232530B2 (en) | Solid state neutron detector | |
| US7288771B2 (en) | Fiber optic thermal/fast neutron and gamma ray scintillation detector | |
| US6876711B2 (en) | Neutron detector utilizing sol-gel absorber and activation disk | |
| US8084748B2 (en) | Radioactive material detecting and identifying device and method | |
| EP3066496B1 (en) | Device and method for detecting neutrons and gamma rays | |
| CN112997102A (en) | Radiation detection system and method | |
| Streicher et al. | Special nuclear material characterization using digital 3-D position sensitive CdZnTe detectors and high purity germanium spectrometers | |
| US8766206B2 (en) | Neutron detection based on energy spectrum characteristics | |
| US11163076B2 (en) | Method for the detection of neutrons with scintillation detectors used for gamma ray spectroscopy | |
| Bodewits et al. | Characterization of a large area ZnS (Ag) detector for gross alpha and beta activity measurements in tap water plants | |
| JP2020071120A (en) | Radiation detector | |
| RU2189057C2 (en) | Scintillation detector of neutron and gamma radiation | |
| JP2871523B2 (en) | Radiation detector | |
| RU2413246C1 (en) | Solid-state neutron detector | |
| JP2012242369A (en) | Radiation detector | |
| Nissim et al. | Characterization of a 4παβ (LS)-γ (HPGe) prototype system for low-background measurements | |
| RU2143711C1 (en) | Detector for registration of ionizing radiation | |
| Trombetta et al. | Investigation of the use of coincidences between fast neutrons and gamma rays for the detection of special nuclear materials | |
| Pausch et al. | Application of $^{6}{\rm LiI}({\rm Eu}) $ Scintillators With Photodiode Readout for Neutron Counting in Mixed Gamma-Neutron Fields | |
| RU2347241C1 (en) | Detector for recording of ionising radiation | |
| Horn et al. | Suppression of background radiation in BGO and NaI detectors used in nuclear reaction analysis | |
| JP6823526B2 (en) | Radiation detector and radiation measurement method | |
| RU2272301C1 (en) | Scintillating neutron detector | |
| RU2231809C2 (en) | Detector of neutron-and gamma-radiations |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140306 |