RU2724133C1 - Method of detecting reactor antineutrinos - Google Patents

Method of detecting reactor antineutrinos Download PDF

Info

Publication number
RU2724133C1
RU2724133C1 RU2019138348A RU2019138348A RU2724133C1 RU 2724133 C1 RU2724133 C1 RU 2724133C1 RU 2019138348 A RU2019138348 A RU 2019138348A RU 2019138348 A RU2019138348 A RU 2019138348A RU 2724133 C1 RU2724133 C1 RU 2724133C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
energy
atoms
scintillation
inorganic
neutrons
Prior art date
Application number
RU2019138348A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Васильевич Коржик
Андрей Анатольевич Федоров
Виталий Александрович МЕЧИНСКИЙ
Георгий Алексеевич Досовицкий
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2019138348A priority Critical patent/RU2724133C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724133C1 publication Critical patent/RU2724133C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/20Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/202Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal

Landscapes

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

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to methods of detecting antineutrinos by scintillation method. Essence of the invention is that antineutrinos are detected by reverse beta decay on protons, wherein in layers of segmented gadolinium-containing inorganic scintillator, alternating with layers of organic scintillator, scintillation photons are detected from annihilation of positron reverse beta-decay (instantaneous signal) generated during the reaction, as well as scintillation photons from the gamma-ray cascade emitted when neutrons are absorbed during the reaction of reverse beta decay (delayed signal).EFFECT: possibility of detecting reactor antineutrinos.5 cl, 1 tbl, 3 ex, 17 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к способам регистрации реакторных антинейтрино сцинтилляционным методом с использованием сочетания неорганических сцинтилляционных материалов, содержащих атомы гадолиния, и органических сцинтилляционных материалов, являющихся протонными мишенями для антинейтрино, для использования в детекторах антинейтрино для систем дистанционного контроля ядерно-реакторной техники.The invention relates to methods for detecting reactor antineutrinos by the scintillation method using a combination of inorganic scintillation materials containing gadolinium atoms and organic scintillation materials, which are proton targets for antineutrinos, for use in antineutrino detectors for remote monitoring systems of nuclear reactor technology.

Уровень техникиState of the art

Известен способ регистрации реакторных антинейтрино по реакции обратного бета-распада с использованием жидких органических сцинтилляторов, содержащих атомы гадолиния. Примером такого типа детекторов является установка SONGS1, установленная возле атомного реактора SONGS мощностью 3,46 ГВт в Калифорнии (США) (Experimental results from an antineutrino detector for cooperative monitoring of nuclear reactors / N.S. Bowden [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2007. - Vol. 572. - P. 985-998). Детектор установлен в 24,5 м от реакторной зоны, за пределами бетонной защиты, что обеспечивает значительное снижение потока реакторных нейтронов (толщина защиты превышает 100 длин поглощения нейтронов с энергией 10 МэВ) и гамма-квантов. Детектор расположен на глубине 10 м под поверхностью земли, что позволяет режектировать мягкую компоненту космических лучей и снизить поток космических мюонов в 7 раз.A known method of detecting reactor antineutrinos in the reverse beta decay reaction using liquid organic scintillators containing gadolinium atoms. An example of this type of detector is the SONGS1 facility installed near a 3.46 GW SONGS nuclear reactor in California, USA (Experimental results from an antineutrino detector for cooperative monitoring of nuclear reactors / NS Bowden [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2007. - Vol. 572. - P. 985-998). The detector is installed 24.5 m from the reactor zone, outside the concrete shield, which provides a significant reduction in the flux of reactor neutrons (the thickness of the protection exceeds 100 absorption lengths of neutrons with an energy of 10 MeV) and gamma rays. The detector is located at a depth of 10 m below the surface of the earth, which allows you to reject the soft component of cosmic rays and reduce the flux of space muons by 7 times.

Несмотря на относительную простоту и компактность детектора SONGS1, он имеет следующие недостатки:Despite the relative simplicity and compactness of the SONGS1 detector, it has the following disadvantages:

1. Малая гранулярность (только четыре ячейки, каждая из которых работает как независимая и не учитывается перенос поглощенной энергии между ячейками).1. Small granularity (only four cells, each of which works as independent and does not take into account the transfer of absorbed energy between cells).

2. Малый объем рабочего тела низкой плотности (жидкий сцинтиллятор).2. Small volume of a working medium of low density (liquid scintillator).

Отмеченные особенности приводят к тому, что данный детектор обладает низкой эффективностью обнаружения антинейтрино, умеренным соотношением сигнал/фон и низким энергетическим разрешением. Дополнительным недостатком систем детектирования реакторных антинейтрино на основе взаимодействия с жидкими сцинтилляторами является то, что к ним предъявляются повышенные требования по выбору материала контейнера и его герметичности в связи с возможностью протечки жидких сцинтилляторов, их пожароопасностью и возможностью деградации вследствие взаимодействия с материалом контейнера.The noted features lead to the fact that this detector has low antineutrino detection efficiency, a moderate signal / background ratio and low energy resolution. An additional drawback of reactor antineutrino detection systems based on interaction with liquid scintillators is that they are subject to increased requirements for the choice of container material and its tightness due to the possibility of leakage of liquid scintillators, their fire hazard and the possibility of degradation due to interaction with the container material.

Кроме того, большие объемы жидких сцинтилляторов испытывают деградацию своих сцинтилляционных свойств со временем за счет протекания радиохимических реакций при облучении детектора, в результате которого образующиеся свободные радикалы и активные молекулы могут формировать новые соединения, которые могут приводить к снижению оптической прозрачности жидкости, а нерастворимые осадки могут осаждаться на входных окнах фотоприемников, снижая их оптическое пропускание. В значительной степени данные процессы будут значимы использовании больших объемов жидких сцинтилляторов, что требуется для повышения эффективности регистрации антинейтрино.In addition, large volumes of liquid scintillators experience a degradation of their scintillation properties over time due to radiochemical reactions during detector irradiation, as a result of which free radicals and active molecules can form new compounds that can lead to a decrease in the optical transparency of the liquid, and insoluble precipitates can deposited on the input windows of photodetectors, reducing their optical transmission. To a large extent, these processes will be significant when using large volumes of liquid scintillators, which is required to increase the efficiency of antineutrino registration.

Известен способ регистрации реакторных антинейтрино по реакции обратного бета-распада с использованием детекторов черенковского излучения. В качестве примера можно указать проект Angra Neutrino Experiment (Using Neutrinos to Monitor Nuclear Reactors: the Angra Neutrino Experiment, Simulation and Detector Status / J.C. Anjos [et al.] // Nuclear and Particle Physics Proceedings. - 2015. - Vol. 267-269. - P. 108-115). Рабочим телом детектора является бак с чистой водой с добавлением атомов гадолиния природного изотопного состава, окруженный баками с чистой водой в качестве активной защиты от космических лучей и внешнего гамма-фона распада природных радионуклидов. Детектор размещен на расстоянии 30 м от реактора Angra II (Бразилия) с проектной тепловой мощностью 4 ГВт. Структура детектора включает в себя четыре подсистемы.A known method of detecting reactor antineutrinos by the reaction of reverse beta decay using Cherenkov radiation detectors. An example is the Angra Neutrino Experiment project (Using Neutrinos to Monitor Nuclear Reactors: the Angra Neutrino Experiment, Simulation and Detector Status / JC Anjos [et al.] // Nuclear and Particle Physics Proceedings. - 2015. - Vol. 267- 269. - P. 108-115). The detector’s working medium is a tank with pure water with the addition of gadolinium atoms of a natural isotopic composition, surrounded by tanks with pure water as an active protection against cosmic rays and the external gamma-ray decay of natural radionuclides. The detector is located at a distance of 30 m from the Angra II reactor (Brazil) with a design thermal capacity of 4 GW. The detector structure includes four subsystems.

К основным недостаткам антинейтринного детектора на основе черенковских детекторов следует отнести:The main disadvantages of the antineutrino detector based on Cherenkov detectors include:

1. Детектор обладает малой эффективностью регистрации антинейтрино, в связи с чем, для достижения достоверности измерений 95% теоретическое оценочное время набора статистики составляет не менее 10 дней.1. The detector has a low detection efficiency of antineutrinos, and therefore, to achieve a reliable measurement of 95%, the theoretical estimated time for collecting statistics is at least 10 days.

2. Распад мюона, не полное отсечение фоновых процессов при смешанной двухдиапазонной амплитудно-временной селекции, а также ненулевая вероятность не срабатывания систем внешних вето повышает частоту коррелированных сигналов, обусловленных мюонами, до ~0,1 имп./с, что выше антинейтринной скорости счета. Для минимизации этого вклада необходимо проведение точных измерений фона в периоды выключения реактора, или проведения измерений фона с заменой рабочей среды детектора на чистую воду без добавления гадолиния.2. The muon decay, incomplete clipping of background processes during mixed dual-band amplitude-time selection, and the non-zero probability of failure of external veto systems increases the frequency of correlated signals due to muons to ~ 0.1 pulses / s, which is higher than the antineutrino count rate . To minimize this contribution, it is necessary to carry out accurate background measurements during periods of shutdown of the reactor, or to perform background measurements with replacing the detector’s working environment with clean water without adding gadolinium.

3. Для описанной системы характерен малый выход фотонов черенковского излучения - менее 1500 фотонов от каждого позитрона. Выход фотонов черенковского излучения на единицу пути заряженной частицы можно оценить как dN/dL=490⋅sin2(θ) фотонов/см в диапазоне 400-700 нм, что при показателе преломления воды n=1,333 и максимальной энергии позитронов Ee+ max=5-8 МэВ (граничная энергия бета-спектра позитронов при обратном бета-распаде от реакторных антинейтрино), даст указанную величину, т.к. позитроны данных энергий имеют пробег в воде до 3-4 см (Групен, К. Детекторы элементарных частиц / К. Групен; под ред. Л.М. Курдадзе, С.И. Эйдельмана; пер. с англ.: Н.Ю. Эйдельман, Ю.И. Эйдельман. - Новосибирск: Сиб. хронограф, 1999. - 408 с.).3. The described system is characterized by a low photon yield of Cherenkov radiation — less than 1500 photons from each positron. The yield of Cherenkov radiation photons per unit path of a charged particle can be estimated as dN / dL = 490⋅sin 2 (θ) photons / cm in the range 400–700 nm, which with a water refractive index of n = 1.333 and a maximum positron energy E e + max = 5 -8 MeV (the boundary energy of the beta spectrum of positrons in reverse beta decay from reactor antineutrinos) will give the indicated value, because positrons of these energies have a range in water of up to 3-4 cm (Grupen, K. Detectors of elementary particles / K. Grupen; edited by L.M. Kurdadze, S.I. Eidelman; transl. from English: N.Yu. Eidelman, Yu.I. Eidelman .-- Novosibirsk: Sib.Chronograph, 1999 .-- 408 p.).

4. Детектор обладает высоким энергетическим порогом генерации черенковского излучения: Emin=338 кэВ для позитронов в воде, что можно оценить на основе выражения угла растра конуса черенковского излучения

Figure 00000001
откуда следует ограничение на порог бета-фактора заряженной частицы: β≥1/n. Энергия частицы может быть представлена в виде
Figure 00000002
где γ - Лоренц-фактор, m0 - масса покоя частицы, откуда получаем выражения для нижнего порога энергии частицы, необходимый для начала генерации черенковского излучения:
Figure 00000003
который дает указанную величину для позитронов в воде (n=1,333). Это повышает требуемое время накопления сигнала.4. The detector has a high energy threshold for generating Cherenkov radiation: E min = 338 keV for positrons in water, which can be estimated based on the expression of the angle of the raster of the Cherenkov radiation cone
Figure 00000001
whence follows the restriction on the threshold of the beta factor of the charged particle: β≥1 / n. Particle energy can be represented as
Figure 00000002
where γ is the Lorentz factor, m 0 is the rest mass of the particle, whence we obtain the expressions for the lower threshold of the particle energy, which is necessary to start the generation of Cherenkov radiation:
Figure 00000003
which gives the indicated value for positrons in water (n = 1.333). This increases the required signal accumulation time.

Известен способ регистрации реакторных антинейтрино по реакции обратного бета-распада с использованием сцинтилляторов, содержащих изотоп 6Li. Примером такого детектора может служить установка MiniCHANDLER, функционирующая возле первого энергоблока АЭС NANGS в г. Блэксберг (Виргиния, США). Детектор расположен в 25 м от центра реактора с тепловой мощностью 2,94 ГВт (Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector / A. Haghighat [et al.] [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2018. Дата обновления: 05.12.2018. URL:https://arxiv.org/abs/1812.02163). Детектор массой 80 кг имеет кубическую геометрию, состоит из пяти слоев органического сцинтиллятора EJ-260 на основе поливинилтолуола производства Eljen Technology, каждый из которых представляет собой матрицу кубов 8×8 штук размерами 62×62×62 мм3. К каждому горизонтальному столбцу 1×8 кубов в слое с одной стороны подсоединен ФЭУ Amperex ХР2202. Максимум спектра высвечивания сцинтилляций EJ-260 приходится на 490 нм, характерное время затухания кинетики сцинтилляций - 9,2 не (https://eljentechnology.com/products/plastic-scintillators/ej-260-ej-262). Слои органического сцинтиллятора разделены шестью пластинчатыми детекторами тепловых нейтронов EJ-426 производства Eljen Technology. Пластины EJ-426 имеют толщину 0,32-0,5 мм, состоят из микрочастиц фторида лития LiF, обогащенного по изотопу 6Li до 95%, замешанных с микрокристаллами сцинтиллятора сульфид цинка ZnS:Ag с максимумом спектра высвечивания 450 нм (https://eljentechnology.com/products/neutron-detectors/ej-426).A known method of detecting reactor antineutrinos by the reverse beta decay reaction using scintillators containing the 6 Li isotope. An example of such a detector is the MiniCHANDLER installation, operating near the first NANGS nuclear power unit in Blacksburg (Virginia, USA). The detector is located 25 m from the center of the reactor with a thermal power of 2.94 GW (Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector / A. Haghighat [et al.] [Electronic resource] // arXiv.org. 2018. Update date: 12/05/2018. URL: https: //arxiv.org/abs/1812.02163). A detector weighing 80 kg has a cubic geometry, consists of five layers of an organic scintillator EJ-260 based on polyvinyltoluene manufactured by Eljen Technology, each of which is a matrix of 8 × 8 cubes with dimensions of 62 × 62 × 62 mm 3 . To each horizontal column of 1 × 8 cubes in a layer, on one side, a PMT Amperex XP2202 is connected. The maximum of the EJ-260 scintillation emission spectrum falls at 490 nm, the characteristic decay time of the scintillation kinetics is 9.2 ns (https://eljentechnology.com/products/plastic-scintillators/ej-260-ej-262). The layers of the organic scintillator are separated by six EJ-426 plate-type thermal neutron detectors manufactured by Eljen Technology. EJ-426 plates have a thickness of 0.32-0.5 mm, they consist of microparticles of lithium fluoride LiF enriched in the Li 6 isotope up to 95% mixed with ZnS: Ag zinc sulfide scintillator microcrystals with a maximum emission spectrum of 450 nm (https: / /eljentechnology.com/products/neutron-detectors/ej-426).

Важными недостатками систем на основе Li-содержащих детекторов являются следующие:Important disadvantages of systems based on Li-containing detectors are as follows:

1. При передаче кинетической энергии от тяжелых ионизирующих частиц (альфа-частиц и тритонов в случае регистрации нейтронов по реакции 6Li(n,α)t) происходит подавление выхода сцинтилляций, в результате чего совокупная энергия этих частиц 4,8 МэВ (Еα=2,05 МэВ, Et=2,75 МэВ) в шкале энергий гамма-квантов будет фиксироваться предлагаемыми в описанном решении неорганическими сцинтилляционными материалами в диапазоне 1,5-1,7 МэВ, что соответствует типичному отношению вклада от альфа-частиц относительно вклада гамма-квантов α/γ=0,3. Данный энергетический диапазон приходится на участок гамма-фона в районе линии излучения 1461 кэВ изотопа 40K, повсеместно присутствующего в земных породах, в том числе - в строительных материалах.1. When kinetic energy is transferred from heavy ionizing particles (alpha particles and tritons in the case of neutrons detected by reaction 6 Li (n, α) t), the scintillation yield is suppressed, as a result of which the combined energy of these particles is 4.8 MeV (E α = 2.05 MeV, E t = 2.75 MeV) in the scale of gamma-ray energies will be recorded by the inorganic scintillation materials proposed in the described solution in the range of 1.5-1.7 MeV, which corresponds to a typical ratio of the contribution from alpha particles relative to contribution of gamma rays α / γ = 0.3. This energy range falls on the gamma-ray region in the region of the 1461-keV emission line of the 40 K isotope, which is ubiquitous in terrestrial rocks, including building materials.

2. Использование внешнего слоя защиты из пластмассы с добавлением атомов бора для защиты от потока реакторных тепловых нейтронов приводит к испусканию гамма-квантов с энергией 480 кэВ, связанных со снятием возбужденного состояния ядра 7Li, образующегося в ходе реакции

Figure 00000004
Figure 00000005
Вероятность данной реакции равна 93%, что повышает гамма-фон внутри детектора. Линия 480 кэВ находится вблизи аннигиляционной линии 511 кэВ, по которой идет дополнительная селекция полезных событий.2. The use of an outer protective layer of plastic with the addition of boron atoms to protect against the flow of reactor thermal neutrons leads to the emission of gamma rays with an energy of 480 keV associated with the removal of the excited state of the 7 Li nucleus formed during the reaction
Figure 00000004
Figure 00000005
The probability of this reaction is 93%, which increases the gamma background inside the detector. The 480 keV line is located near the 511 keV annihilation line, along which there is an additional selection of useful events.

3. Низкая плотность органического сцинтиллятора приводит к увеличению области высвечивания сцинтилляций от аннигиляционных гамма-квантов, что ухудшает и усложняет пространственную селекцию полезных событий.3. The low density of the organic scintillator leads to an increase in the scintillation emission region from annihilation gamma rays, which worsens and complicates the spatial selection of useful events.

4. Относительно низкая степень сегментации детектора приводит к ухудшению пространственной селекции полезных событий.4. The relatively low degree of detector segmentation leads to a deterioration in the spatial selection of useful events.

5. Необходимость обогащения нейтронного детектора по изотопу 6Li для повышения эффективности регистрации тепловых нейтронов значительно увеличивает его стоимость.5. The need to enrich a neutron detector using the 6 Li isotope in order to increase the detection efficiency of thermal neutrons significantly increases its cost.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ детектирования реакторных антинейтрино, описанный в (Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector / A. Haghighat [et al.] [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2018. Дата обновления: 05.12.2018. URL:https://arxiv.org/abs/1812.02163 (дата обращения: 28.08.2019).The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) is a method for detecting reactor antineutrinos described in (Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector / A. Haghighat [et al.] [Electronic resource] // arXiv. org. 2018. Update date: 12/05/2018. URL: https: //arxiv.org/abs/1812.02163 (accessed date: 08/28/2019).

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение достоверности регистрации реакторных антинейтрино сцинтилляционным методом с использованием сочетания неорганических сцинтилляционных материалов, содержащих атомы гадолиния, и органических сцинтилляционных материалов, являющихся протонными мишенями для антинейтрино, для использования в детекторах антинейтрино для систем дистанционного контроля ядерно-реакторной техники.The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the reliability of registration of reactor antineutrino scintillation method using a combination of inorganic scintillation materials containing gadolinium atoms and organic scintillation materials, which are proton targets for antineutrino, for use in antineutrino detectors for remote control systems reactor technology.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность детектирования реакторных антинейтрино.The technical result of the claimed invention is the ability to detect reactor antineutrinos.

Для достижения данного технического результата предложен способ регистрации реакторных антинейтрино, заключающийся в том, что регистрируют фотоны сцинтилляций, образующиеся при попадании аннигиляционных гамма-квантов и нейтронов в гамма-лучевой сцинтиллятор на основе неорганического материала, содержащего атомы гадолиния, а гамма-лучевой сцинтиллятор на основе органического материала, содержащего атомы водорода и находящийся в непосредственной близости к сцинтиллятору на основе неорганического материала, используют в качестве протон-содержащей мишени, среды для замедления позитронов и нейтронов, а также активной защиты от заряженной и нейтронной компоненты фонового космического излучения и при этом, в гамма-лучевом сцинтилляторе на основе неорганического материала, содержащего атомы гадолиния, определяют координату взаимодействия гамма-квантов, момент взаимодействия во времени и выделенную в результате взаимодействия энергию и отделяют полезные события от фоновых, регистрируя энерговыделение от аннигиляционных гамма-квантов в энергетическом диапазоне 400-3000 кэВ, от нейтронов в энергетическом диапазоне 5000-8000 кэВ, регистрируют мгновенные совпадения от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов во временном окне 10-8 с и задержанные на время 10-5 - 10-6 с сигналы от нейтронов и анализируют на соответствие заранее рассчитанным компьютерным моделям пространственные области в гамма-лучевом сцинтилляторе на основе неорганического материала, в которых мгновенно либо в определенных временных интервалах было зарегистрировано указанное энерговыделение.To achieve this technical result, a method for detecting reactor antineutrinos is proposed, which consists in registering scintillation photons generated when gamma rays and neutrons get into the gamma ray scintillator based on an inorganic material containing gadolinium atoms, and a gamma ray scintillator based on organic material containing hydrogen atoms and located in close proximity to a scintillator based on inorganic material is used as a proton-containing target, a medium for slowing down positrons and neutrons, as well as active protection from the charged and neutron components of background cosmic radiation and, in so doing, A gamma ray scintillator based on an inorganic material containing gadolinium atoms determines the coordinate of the interaction of gamma quanta, the moment of interaction in time and the energy released as a result of the interaction, and separate useful events from background ones, registering the energy output Removal from annihilation gamma rays in the energy range of 400-3000 keV, from neutrons in the energy range 5000-8000 keV, instant coincidences from ionization losses of positron energy and / or annihilation gamma rays in the time window of 10 -8 s and delayed by time are recorded 10 -5 - 10 -6 s signals from neutrons and analyze spatial regions in a gamma ray scintillator based on inorganic material for compliance with pre-calculated computer models in which the indicated energy release was recorded instantly or in certain time intervals.

Кроме того, в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, используют материалы из ряда: Gd2SiO5, Gd2Si2O7, GdBr3, Gd3Al2Ga3O12 в форме монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы Се и/или Tb и/или Eu, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве до 2 ат.%.In addition, as an inorganic scintillation material containing gadolinium atoms, use materials from the series: Gd 2 SiO 5 , Gd 2 Si 2 O 7 , GdBr 3 , Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 in the form of single-crystal or polycrystalline material containing as an activator, Ce and / or Tb and / or Eu atoms, which are introduced into the composition of the material, replacing one or more elements in an amount of up to 2 at.%.

Кроме того, в неорганических сцинтилляционных материалах, содержащих атомы гадолиния, замещают до 60% атомов Gd атомами Y или лантаноидами.In addition, in inorganic scintillation materials containing gadolinium atoms, up to 60% of Gd atoms are replaced by Y atoms or lanthanides.

Кроме того, в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, используют сцинтилляционное стекло, содержащее оксиды Gd, Si, а в качестве активатора атомы Се и/или Tb.In addition, as an inorganic scintillation material containing gadolinium atoms, scintillation glass containing Gd, Si oxides is used, and Ce and / or Tb atoms are used as an activator.

Кроме того, в качестве органического сцинтилляционного материала, содержащего атомы водорода, используют пластиковые сцинтилляторы или жидкие сцинтилляторы, не содержащие в своем составе гадолиний.In addition, plastic scintillators or liquid scintillators that do not contain gadolinium are used as organic scintillation material containing hydrogen atoms.

Краткое описание сути способа состоит в том, что регистрацию антинейтрино осуществляют по реакции обратного бета-распада на протонах, при котором в слоях сегментированного гадолиний-содержащего неорганического сцинтиллятора, чередующихся со слоями органического сцинтиллятора, регистрируют фотоны сцинтилляций от аннигиляции рождающихся в ходе реакции обратного бета-распада позитронов (мгновенный сигнал), а также фотоны сцинтилляций от каскада гамма-квантов, испущенных при поглощении нейтронов, возникших в ходе реакции обратного бета-распада (задержанный сигнал).A brief description of the essence of the method is that the registration of antineutrinos is carried out by the reverse beta decay reaction on protons, in which scintillation photons generated from the annihilation of the reverse beta reaction are recorded in layers of a segmented gadolinium-containing inorganic scintillator, alternating with layers of an organic scintillator the decay of positrons (instantaneous signal), as well as scintillation photons from the cascade of gamma rays emitted during the absorption of neutrons arising from the reverse beta decay reaction (delayed signal).

Основные отличия предлагаемого нами способа от прототипа заключаются в следующем:The main differences of our proposed method from the prototype are as follows:

- регистрация сигналов от позитронов (мгновенный сигнал), рожденных в ходе реакции обратного бета-распада в слоях органического сцинтиллятора, а также сигналов термализованных в слоях органического сцинтиллятора нейтронов (задержанный сигнал), рожденных в той же реакции, производится в сегментированном неорганическом сцинтилляторе высокой плотности, содержащем атомы гадолиния природного изотопного состава;- registration of signals from positrons (instantaneous signal) generated during the reverse beta decay reaction in the layers of an organic scintillator, as well as signals thermalized in layers of an organic scintillator of neutrons (delayed signal) born in the same reaction, is performed in a high-density segmented inorganic scintillator containing gadolinium atoms of natural isotopic composition;

- слои органического сцинтиллятора выполняют роль только в качестве термализирующей нейтроны среды, а также активной защиты от сигналов случайны совпадений, возникающих под влиянием космического излучения;- the layers of the organic scintillator play a role only as a thermalizing neutron medium, as well as active protection against random coincidence signals arising under the influence of cosmic radiation;

- в результате захвата нейтронов атомами гадолиния рождаются каскадные гамма-кванты суммарной энергией до 8 МэВ, регистрация которых в слоях сегментированного гадолиний-содержащего неорганического сцинтиллятора формирует задержанный сигнал;- as a result of neutron capture by gadolinium atoms, cascade gamma rays with a total energy of up to 8 MeV are generated, the registration of which in the layers of a segmented gadolinium-containing inorganic scintillator forms a delayed signal;

- использование режима совпадений различными сегментами неорганического сцинтиллятора при регистрации мгновенного сигнала в границах эффективного временного окна совпадений, в рамках которого будет отслеживаться регистрация мгновенного сигнала, позволяет значительно подавить скорость счета случайных фоновых событий;- the use of the coincidence mode by different segments of the inorganic scintillator when registering an instant signal within the boundaries of the effective time window of coincidences, within which registration of the instant signal will be monitored, can significantly suppress the count rate of random background events;

- мгновенный и задержанный сигналы локализуют области внутри детектора, разделенные как по времени, так и пространственно, по которым производится селекция полезных событий с учетом пространственной, временной и амплитудной селекции, а также с учетом сигналов вето органических сцинтилляторов, отсекающих фон заряженной и нейтронной компоненты космического фонового излучения;- instantaneous and delayed signals localize the areas inside the detector, separated both by time and spatially, according to which the selection of useful events is performed taking into account spatial, temporal and amplitude selection, as well as taking into account the signals of veto organic scintillators that cut off the background of the charged and neutron components of the space background radiation;

- дополнительная селекция полезных событий осуществляется на основе анализа взаимной пространственной ориентации областей локализации мгновенного и задержанного сигнала в детекторе. В основе этого подхода лежит факт анизотропного испускания нейтронов по направлению к антинейтрино из активной зоны реактора в ходе реакции обратного бета-распада.- additional selection of useful events is carried out on the basis of the analysis of the mutual spatial orientation of the localization regions of the instantaneous and delayed signals in the detector. The basis of this approach is the fact of anisotropic emission of neutrons towards the antineutrino from the reactor core during the reverse beta decay reaction.

Согласно предлагаемому способу, регистрация антинейтрино осуществляется посредством их реакции с протонами органического сцинтиллятора, в ходе которой рождаются позитрон и нейтрон. Позитрон после термализации в органическом сцинтилляторе аннигилирует с испусканием двух гамма-квантов 511 кэВ, вылетающих под углом 180°. Испущенные аннигиляционные гамма-кванты и потери энергии позитрона при его термализации регистрируются в сегментах неорганического сцинтиллятора, содержащего атомы гадолиния, формируя мгновенный сигнал. Испущенный в ходе реакции обратного бета-распада нейтрон термализуется в слое органического сцинтиллятора и за счет дрейфа попадает в сегменты неорганического сцинтиллятора, в котором захватывается ядром гадолиния. При взаимодействии с нейтронами ядра атомов гадолиния излучают набор гамма-квантов в широком энергетическом диапазоне с суммарной энергией около 8 МэВ, за счет чего в сегментах неорганического сцинтиллятора формируется задержанный сигнал. Сцинтилляции регистрируются фотодетекторами - например, полупроводниковыми фотодетекторами, непосредственно соединенными с сегментами детектора, либо свет сцинтилляций из сегментов детектора передается в проходящие через сегменты оптические световоды, которые соединяются с фотоприемниками за пределами чувствительного объема детектора - фотоэлектронным умножителем или полупроводниковыми фотодетекторами.According to the proposed method, the registration of antineutrinos is carried out through their reaction with the protons of an organic scintillator, during which a positron and a neutron are born. After thermalization in an organic scintillator, the positron annihilates with the emission of two 511 keV gamma rays emitting at an angle of 180 °. The emitted annihilation gamma-quanta and positron energy losses during its thermalization are recorded in segments of an inorganic scintillator containing gadolinium atoms, forming an instant signal. The neutron emitted during the reverse beta decay reaction is thermalized in the organic scintillator layer and, due to drift, enters the segments of the inorganic scintillator in which it is captured by the gadolinium nucleus. When interacting with neutrons, the nuclei of gadolinium atoms emit a set of gamma rays in a wide energy range with a total energy of about 8 MeV, due to which a delayed signal is formed in segments of the inorganic scintillator. Scintillations are recorded by photodetectors - for example, semiconductor photodetectors directly connected to detector segments, or scintillation light from detector segments is transmitted to optical fibers passing through the segments, which are connected to photodetectors outside the detector’s sensitive volume - by a photoelectric multiplier or semiconductor photodetectors.

На основе информации о координатах попадания в сегменты неорганического гамма-лучевого сцинтиллятора аннигиляционных гамма-квантов определяется область пространства в детекторе, в которой был рожден позитрон, а на основе информации о координатах попадания каскада гамма-квантов, вызванных захватом нейтрона ядром атома гадолиния, определяется область пространства детектора, в которой был захвачен нейтрон. Анализ взаимного пространственного расположения этих областей в объеме детектора в совокупности с остальными указанными методами селекции позволяет идентифицировать факт регистрации антинейтрино. Дополнительный триггер формируется на основе пространственной селекции областей локализации мгновенных и задержанных событий: рождающиеся в ходе реакции обратного бета-распада позитроны испускаются практически изотропно относительно направления движения антинейтрино, в то время как нейтроны вылетают преимущественно в направлении движения первичных антинейтрино.Based on the information about the coordinates of the annihilation gamma quanta entering the segments of the inorganic gamma ray scintillator, the region of space in the detector in which the positron was generated is determined, and based on the coordinates of the gamma-ray cascade caused by neutron capture by the gadolinium nucleus, the region is determined the space of the detector in which the neutron was captured. An analysis of the mutual spatial arrangement of these regions in the detector volume, together with the other indicated selection methods, makes it possible to identify the fact of registration of antineutrinos. An additional trigger is formed on the basis of spatial selection of the localization regions of instantaneous and delayed events: positrons generated during the reverse beta decay reaction are emitted almost isotropically relative to the direction of motion of the antineutrinos, while neutrons fly out predominantly in the direction of motion of the primary antineutrinos.

При регистрации сцинтилляционных импульсов указанных двух процессов производится одновременно 4 типа селекции сигналов:When registering scintillation pulses of these two processes, 4 types of signal selection are performed simultaneously:

- амплитудная селекция событий: регистрация одновременных аннигиляционных гамма-квантов 511 кэВ в сегментах слоев неорганического сцинтиллятора, содержащего гадолиний, в определенном энергетическом окне, с отдельным триггером на превышение порога суммарной выделенной энергии во всех сегментах неорганического сцинтиллятора энергии более 3 МэВ, оптимально - более 5 МэВ;- amplitude selection of events: registration of 511 keV simultaneous annihilation gamma-quanta in segments of layers of an inorganic scintillator containing gadolinium in a specific energy window, with a separate trigger for exceeding the threshold of total energy released in all segments of the inorganic energy scintillator more than 3 MeV, optimally more than 5 MeV MeV;

- пространственная селекция событий: за счет анализа информации и регистрации сигнала в разных сегментах неорганического сцинтиллятора производится определение координаты взаимодействия гамма-квантов; в качестве полезных сигналов выбирают только сигналы, сгенерированные в определенной пространственной области;- spatial selection of events: by analyzing the information and registering the signal in different segments of the inorganic scintillator, the coordinates of the interaction of gamma quanta are determined; as useful signals, only signals generated in a certain spatial region are selected;

- временная селекция: регистрация реализуется в режиме задержанных совпадений между мгновенными сигналами совпадений от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов и задержанным сигналом от каскадных гамма-квантов, рожденных после захвата нейтрона ядром гадолиния. Задержка нейтронного сигнала обусловлена процессами термализации нейтрона в слоях органического сцинтиллятора с последующим дрейфом к сегментам неорганического сцинтиллятора, содержащего гадолиний. Дополнительная временная селекция осуществляется за счет регистрации мгновенных сигналов в рамках временного окна порядка 10 нс, а задержанных совпадений в рамках временного окна 2-18 мкс от момента регистрации мгновенных сигналов;- temporary selection: registration is realized in the mode of delayed matches between instantaneous coincidence signals from ionization losses of positron energy and / or annihilation gamma-quanta and a delayed signal from cascade gamma-quanta born after neutron capture by the gadolinium nucleus. The delay of the neutron signal is due to the processes of thermalization of the neutron in the layers of the organic scintillator with subsequent drift to the segments of the inorganic scintillator containing gadolinium. Additional time selection is carried out by registering instant signals within the time window of the order of 10 ns, and delayed matches within the time window of 2-18 μs from the moment of registration of instant signals;

- дополнительное вето формируется за счет совпадающих сигналов, генерируемых слоями органического сцинтиллятора при прохождении через них частиц космических лучей.- an additional veto is formed due to the matching signals generated by the layers of the organic scintillator when cosmic ray particles pass through them.

Природный гадолиний имеет одно из самых высоких сечений захвата тепловых нейтронов - 46000 барн (ENDF, https://www-nds.iaea.org/exfor/endf.htm), что значительно повышает эффективность регистрации нейтронов и улучшает локализацию области поглощения нейтронов после их термализации в сцинтилляторах с высоким содержанием гадолиния. В случае использования только водород-содержащего сцинтиллятора время захвата нейтронов увеличивается до 100 мкс с испусканием каскада гамма-квантов с суммарной энергией 2,2 МэВ (Experimental results from an antineutrino detector for cooperative monitoring of nuclear reactors / N.S. Bowden [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2007. - Vol. 572. - P. 985-998.), что приводит к формированию интегрального задержанного сигнала в энергетическом диапазоне естественного гамма-фона (до 3 МэВ), что, в свою очередь, снижает достоверность селекции полезных событий. Использование твердотельного неорганического сцинтиллятора с добавлением гадолиния позволяет существенно увеличить как эффективность регистрации гамма-квантов (за счет высокой плотности и большой величины эффективного заряда вещества сцинтиллятора), так и термализованных нейтронов (за счет содержания атомов Gd), что позволяет создавать высокочувствительные детекторы антинейтрино меньших объемов, чем аналоги на основе гадолиний-содержащий жидких сцинтилляторов. Сегментация гамма-лучевого сцинтиллятора способствует увеличению пространственного разрешения детектируемых событий и дополнительной режекции фоновых событий. Кроме того, использование негигроскопичных неорганических сцинтилляторов упрощает конструкцию детектора по сравнению с использованием жидких сцинтилляторов.Natural gadolinium has one of the highest thermal neutron capture cross sections - 46,000 barns (ENDF, https://www-nds.iaea.org/exfor/endf.htm), which significantly increases the efficiency of neutron detection and improves the localization of the neutron absorption region after they thermalization in scintillators with a high content of gadolinium. In the case of using only a hydrogen-containing scintillator, the neutron capture time increases to 100 μs with the emission of a cascade of gamma rays with a total energy of 2.2 MeV (Experimental results from an antineutrino detector for cooperative monitoring of nuclear reactors / NS Bowden [et al.] / / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2007. - Vol. 572. - P. 985-998.), Which leads to the formation of an integrated delayed signal in the energy range of natural gamma background (up to 3 MeV), which, in turn, reduces the reliability of the selection of useful events. The use of a solid-state inorganic scintillator with the addition of gadolinium can significantly increase both the detection efficiency of gamma quanta (due to the high density and high magnitude of the effective charge of the scintillator substance) and thermalized neutrons (due to the content of Gd atoms), which allows the creation of highly sensitive antineutrino detectors of smaller volumes than analogs based on gadolinium-containing liquid scintillators. Segmentation of the gamma ray scintillator increases the spatial resolution of the detected events and additional rejection of background events. In addition, the use of non-hygroscopic inorganic scintillators simplifies the design of the detector compared to using liquid scintillators.

Использование описанной выше многоступенчатой системы селекции полезных событий позволяет существенно снизить влияние фоновых событий любой природы: собственной радиоактивности материалов детекторов и фотоприемников, заряженных частиц и быстрых нейтронов космических лучей, внешних фоновых замедленных нейтронов от реактора, а также фоновых гамма-лучей от распада природных радиоизотопов.Using the multi-stage system for selecting useful events described above can significantly reduce the influence of background events of any nature: the intrinsic radioactivity of the materials of detectors and photodetectors, charged particles and fast neutrons of cosmic rays, external background slowed neutrons from a reactor, and also background gamma rays from the decay of natural radioisotopes.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 представлен схематический рисунок участка детектора, где:In FIG. 1 is a schematic drawing of a detector section, where:

1 - слои органического сцинтиллятора;1 - layers of organic scintillator;

2 - сегменты неорганического сцинтиллятора, содержащего атомы гадолиния;2 - segments of an inorganic scintillator containing gadolinium atoms;

3 - фотоприемники.3 - photodetectors.

На фиг. 2 представлен энергетический спектр позитронов, испускаемых при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами по реакции обратного бета-распада.In FIG. Figure 2 shows the energy spectrum of positrons emitted during the interaction of reactor antineutrinos with protons by the reverse beta decay reaction.

На фиг. 3 представлен энергетический спектр нейтронов, испускаемых при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами по реакции обратного бета-распада.In FIG. Figure 3 shows the energy spectrum of neutrons emitted during the interaction of reactor antineutrinos with protons by the reaction of inverse beta decay.

На фиг. 4 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) временные спектры термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ в поливинилтолуоле (ПВТ), а также нейтроны со спектром, соответствующем обратному бета-распаду в поливинилтолуоле.In FIG. Figure 4 shows the calculated (simulation in GEANT4) time spectra of thermalization of neutrons with an energy of 1 keV - 5 MeV in polyvinyltoluene (PVT), as well as neutrons with a spectrum corresponding to the inverse beta decay in polyvinyltoluene.

На фиг. 5 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ в поливинилтолуоле (ПВТ), а также нейтронов со спектром, соответствующем обратному бета-распаду в поливинилтолуоле.In FIG. Figure 5 shows the calculated (simulation in GEANT4) distribution of thermalization depths of neutrons with an energy of 1 keV - 5 MeV in polyvinyltoluene (PVT), as well as neutrons with a spectrum corresponding to the inverse beta decay in polyvinyltoluene.

На фиг. 6 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации позитронов с энергией, соответствующей реакции обратного бета-распада, в сцинтилляторе Gd3Al2Ga3O12:Ce (GAGG) и ПВТ.In FIG. Figure 6 shows the calculated (simulation in GEANT4) distribution of the positron thermalization depths with energy corresponding to the reverse beta decay reaction in the Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 scintillator: Ce (GAGG) and HTP.

На фиг. 7 представлен бета-спектр позитронов, испущенных источником 22Na.In FIG. 7 shows the beta spectrum of positrons emitted by a source of 22 Na.

На фиг. 8 представлены измеренные гамма-спектры от источника 22Na, зарегистрированные в кристалле BGO при наличие алюминиевого поглотителя между источником и кристаллом и без него.In FIG. Figure 8 shows the measured gamma spectra from a 22 Na source recorded in a BGO crystal with and without an aluminum absorber between the source and the crystal.

На фиг. 9 представлен измеренный фоновый спектр, полученный от кристалла GAGG 10×10×10 мм3. Энергетическая калибровка проводилась по гамма-квантам 662 кэВ от 137Cs.In FIG. 9 shows the measured background spectrum obtained from a GAGG crystal of 10 × 10 × 10 mm 3 . Energy calibration was carried out using gamma rays of 662 keV from 137 Cs.

На фиг. 10 представлены распределения поглощенной энергии в слоях GAGG и ПВТ толщиной 10 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду.In FIG. 10 shows the distribution of absorbed energy in 10 mm thick GAGG and HTP layers upon neutron absorption with an emission spectrum corresponding to inverse beta decay.

На фиг. 11 представлена зависимость максимального угла вылета нейтрона относительно направления первичного антинейтрино при реакции обратного бета-распада.In FIG. Figure 11 shows the dependence of the maximum neutron emission angle relative to the direction of the primary antineutrino during the reverse beta decay reaction.

На фиг. 12 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ и GAGG по 10 мм.In FIG. Figure 12 shows the dependences of the positron registration probability by the coincidence method for its annihilation, the thickness of the layers of the HTP and GAGG is 10 mm each.

На фиг. 13 представлены распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 100 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду.In FIG. 13 shows the distribution of absorbed energy in GAGG layers with a thickness of 10 mm and an HTP with a thickness of 100 mm upon absorption of a neutron with an emission spectrum corresponding to inverse beta decay.

На фиг. 14 представлены распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 5 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду.In FIG. Figure 14 shows the distribution of absorbed energy in 10 mm thick GAGG and 5 mm thick HTP layers during neutron absorption with an emission spectrum corresponding to inverse beta decay.

На фиг. 15 представлен схематический рисунок ячейки детектора с двойным трактом регистрации, где:In FIG. 15 is a schematic drawing of a dual-detection detector cell, where:

4 - сцинтиллятор;4 - scintillator;

5 - фотоприемник.5 - photodetector.

На фиг. 16 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 100 мм, GAGG 10 мм.In FIG. Figure 16 shows the dependences of the positron registration probability by the method of coincidence by its annihilation, the thickness of the PVT layers is 100 mm, and GAGG is 10 mm.

На фиг. 17 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 5 мм, GAGG 10 мм.In FIG. Figure 17 shows the dependences of the positron registration probability by the method of coincidence by its annihilation, the thickness of the PVT layers is 5 mm, and GAGG is 10 mm.

Осуществление и примеры реализации изобретенияThe implementation and examples of the invention

Способ регистрации включает в себя следующие операции:The registration method includes the following operations:

1) Составление измерительной схемы (детектора), состоящей из сплошных пластин органического сцинтиллятора, между которыми размещаются сегментированные слои неорганического сцинтиллятора 1, имеющего в своем составе атомы гадолиния, и оборудования, которое позволяет регистрировать свет, испускаемый сцинтилляторами при помощи любого из известных устройств, например, при помощи фотоэлектронного умножителя, кремниевого полупроводникового прибора, или любым другим способом, причем указанное оборудование регистрирует свет, испущенный в каждой пластине органического сцинтиллятора и в каждом сегменте каждого слоя неорганического сцинтиллятора по отдельным независимым каналам. На Фиг. 1 показан схематический рисунок участка детектора предлагаемой конструкции.1) Preparation of a measuring circuit (detector), consisting of continuous plates of an organic scintillator, between which segmented layers of an inorganic scintillator 1, which contain gadolinium atoms, are placed, and equipment that allows the light emitted by scintillators to be detected using any of the known devices, for example , using a photomultiplier, a silicon semiconductor device, or in any other way, and this equipment detects the light emitted in each plate of the organic scintillator and in each segment of each layer of the inorganic scintillator through separate independent channels. In FIG. 1 shows a schematic drawing of a detector section of the proposed design.

2) Регистрацию сигналов всех каналов измерительной схемы.2) Registration of signals of all channels of the measuring circuit.

3) Обработку сигналов, включающую:3) Signal processing, including:

A) временную селекцию;A) temporary selection;

Б) пространственную селекцию;B) spatial selection;

B) амплитудную селекцию;B) amplitude selection;

Г) применение дополнительной фильтрации, основанной на правиле «вето», основанном на сигнале регистрации космических лучей органическим сцинтиллятором.D) the use of additional filtering, based on the "veto" rule, based on the signal of registration of cosmic rays with an organic scintillator.

Ниже приведено описание осуществления и выбора параметров обработки сигнала и геометрических характеристик детектора, позволяющих обеспечить достижение технического результата.The following is a description of the implementation and selection of signal processing parameters and geometric characteristics of the detector, allowing to achieve the technical result.

В качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, могут быть использованы материалы из ряда: Gd2SiO5, Gd2Si2O7, GdBr3, Gd3Al2Ga3O12 в форме монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы Се и/или Tb и/или Eu, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве до 2 ат. %. Также могут быть использованы и другие неорганические сцинтилляторы, в состав которых входит Gd. В том числе, это могут быть материалы из ряда, приведенного выше, в которых замещают до 60% атомов Gd атомами Y или лантаноидами. Также в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, могут использовать сцинтилляционное стекло, содержащее оксиды Gd, Si, а в качестве активатора атомы Се и/или Tb.As an inorganic scintillation material containing gadolinium atoms, can be used materials from the series: Gd 2 SiO 5 , Gd 2 Si 2 O 7 , GdBr 3 , Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 in the form of single-crystal or polycrystalline material, containing as activator atoms Ce and / or Tb and / or Eu, which are introduced into the composition of the material, replacing one or more elements in an amount of up to 2 at. % Other inorganic scintillators that include Gd can also be used. In particular, these may be materials from the series described above in which up to 60% of Gd atoms are replaced by Y atoms or lanthanides. Also, as an inorganic scintillation material containing gadolinium atoms, scintillation glass containing Gd, Si oxides can be used, and Ce and / or Tb atoms as an activator.

При оценке требуемых пространственных параметров элементов детектора нужно принимать во внимание энергетические спектры позитронов и нейтронов, рождающихся при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами. На фиг. 2 и 3 представлены энергетические спектры позитронов и нейтронов соответственно, испускаемых при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами по реакции обратного бета-распада. Спектр позитронов представляет собой стандартный спектр бета-излучения с граничной энергией около 8 МэВ и средней энергией около 2 МэВ. Наиболее вероятная энергия нейтронов составляет единицы кэВ. Данные спектры были использованы для расчета параметров термализации нейтронов и позитронов в сцинтилляционных материалах предлагаемого детектора.When assessing the required spatial parameters of the detector elements, one should take into account the energy spectra of positrons and neutrons generated during the interaction of reactor antineutrinos with protons. In FIG. Figures 2 and 3 show the energy spectra of positrons and neutrons, respectively, emitted during the interaction of reactor antineutrinos with protons by the reaction of inverse beta decay. The positron spectrum is a standard spectrum of beta radiation with a boundary energy of about 8 MeV and an average energy of about 2 MeV. The most probable neutron energy is units of keV. These spectra were used to calculate the thermalization parameters of neutrons and positrons in the scintillation materials of the proposed detector.

Осуществление временной селекции полезных событий.Implementation of temporary selection of useful events.

На фиг. 4 представлены расчетные (моделирование в GEANT4 (Geant4 - a simulation toolkit / S. Agostinelli [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. - 2003. - Vol. 506. - P. 250-303) временные спектры термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ, а также нейтронов со спектром, соответствующим обратному бета-распаду в поливинилтолуоле (ПВТ). Результаты расчетов показывают, что 90% нейтронов, испущенных в ходе взаимодействия реакторных антинейтрино с протонами органического гамма-лучевого спектрометра, термализуются за время не более 18 мкс от момента испускания, наиболее вероятное время термализации составляет порядка 3 мкс, что позволяет задать временное окно регистрации задержанного сигнала с границами от 2-3 мкс до 18-20 мкс от момента регистрации мгновенных сигналов. Термализация позитронов в материале неорганического и органического сцинтилляторов происходит за времена до нескольких десятков пикосекунд (моделирование в GEANT4 показывает, что 90% позитронов термализуются в ПВТ за 70 пс, а в GAGG за ~5 пс). С учетом характерных времен нарастания интенсивности высвечивания сцинтилляций в органических и неорганических сцинтилляторах (до 1 нс), а также задержки на сбор сцинтилляционных фотонов из объема ячейки неорганического сцинтиллятора объемом несколько кубических сантиметров, можно задать предпочтительное значение эффективного временного окна совпадений, в рамках которого будет отслеживаться регистрация мгновенного сигнала, в 10 нс. Использование узкого временного окна совпадений для регистрации мгновенных сигналов позволяет значительно подавить скорость счета случайных фоновых событий: фактор подавления составит (18 мкс - 2 мкс)/0,01 мкс=1600.In FIG. Figure 4 shows the calculated (simulation in GEANT4) (Geant4 - a simulation toolkit / S. Agostinelli [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. - 2003. - Vol. 506. - P. 250-303) temporal thermalization spectra of neutrons with an energy of 1 keV - 5 MeV, as well as neutrons with a spectrum corresponding to the inverse beta decay in polyvinyltoluene (HTP). The calculation results show that 90% of the neutrons emitted during interactions of reactor antineutrinos with protons of an organic gamma ray spectrometer are thermalized in no more than 18 μs from the moment of emission, the most likely thermalization time is about 3 μs, which allows you to set a time window for recording the delayed signal with boundaries from 2-3 μs to 18-20 μs from the moment of registration of instantaneous signals Thermalization of positrons in the material of inorganic and organic scintillators occurs for times up to several tens of picos seconds (simulation in GEANT4 shows that 90% of the positrons are thermalized in the HTP in 70 ps, and in GAGG in ~ 5 ps). Taking into account the characteristic times of increase in the intensity of scintillation emission in organic and inorganic scintillators (up to 1 ns), as well as the delay in collecting scintillation photons from the cell volume of an inorganic scintillator with a volume of several cubic centimeters, you can set the preferred value of the effective coincidence window, within which registration of an instant signal, in 10 ns. The use of a narrow time window of coincidences for recording instantaneous signals allows one to significantly suppress the counting rate of random background events: the suppression factor will be (18 μs - 2 μs) / 0.01 μs = 1600.

Осуществление пространственной селекции полезных событий.Implementation of spatial selection of useful events.

Пространственная селекция позволяет подавить скорость счета случайных совпадений с фоновыми сигналами: локализация областей энерговыделения мгновенного и запаздывающего сигналов формируют соответствующие сферы пространства внутри детектора, объемы которых значительно меньше полного объема детектора. Тогда степень подавления скорости счета случайных совпадений фоновых событий будет равна отношению объема детектора к объему этих сфер.Spatial selection allows you to suppress the count rate of random coincidences with background signals: the localization of the energy regions of the instantaneous and delayed signals form the corresponding spheres of space inside the detector, the volumes of which are significantly less than the total volume of the detector. Then the degree of suppression of the count rate of random coincidences of background events will be equal to the ratio of the volume of the detector to the volume of these spheres.

На фиг. 5 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации нейтронов с энергией 1 кэВ - 5 МэВ в ПВТ, а также нейтронов со спектром, соответствующим обратному бета-распаду в ПВТ. Результаты моделирования показывают, что 90% нейтронов, испущенных в ходе взаимодействия реакторных антинейтрино с протонами органического гамма-лучевого спектрометра, термализуются в слое ПВТ толщиной 10-12 см, а средняя глубина термализации таких нейтронов составляет около 5 см. Полученные значения задают границы области термализации нейтронов в неорганическом сцинтилляторе.In FIG. Figure 5 shows the calculated (simulation in GEANT4) distribution of thermalization depths of neutrons with an energy of 1 keV - 5 MeV in the HTP, as well as neutrons with a spectrum corresponding to the inverse beta decay in the HTP. The simulation results show that 90% of the neutrons emitted during the interaction of reactor antineutrinos with protons of an organic gamma ray spectrometer are thermalized in an HTP layer 10-12 cm thick, and the average thermalization depth of such neutrons is about 5 cm. The obtained values set the boundaries of the thermalization region neutrons in an inorganic scintillator.

До акта аннигиляции образованные позитроны также испытывают термализацию, причем основная доля позитронов испытывает аннигиляцию после термализации, т.к. сечение аннигиляции σγγ обратно пропорционально квадрату кинетической энергии позитрона: σγγ~1/Е2 (Electron-positron pairs in physics and astrophysics: From heavy nuclei to black holes / R. Ruffini, G. Vereshchagin, S.-S. Xue // Physics Reports. - 2010. - Vol. 487. - P. 1-140).Before the act of annihilation, the formed positrons also experience thermalization, with the majority of positrons annihilating after thermalization, because annihilation cross section σ γγ is inversely proportional to the square of the positron kinetic energy: σ γγ ~ 1 / Е 2 (Electron-positron pairs in physics and astrophysics: From heavy nuclei to black holes / R. Ruffini, G. Vereshchagin, S.-S. Xue / / Physics Reports. - 2010 .-- Vol. 487. - P. 1-140).

На фиг. 6 представлены расчетные (моделирование в GEANT4) распределения глубин термализации позитронов с энергией, соответствующей реакции обратного бета-распада, в GAGG и ПВТ. Результаты моделирования показывают, что 90% позитронов, рожденных в ходе взаимодействия реакторных антинейтрино с протонами, термализуется в ПВТ толщиной 15 мм, а средняя глубина термализации в ПВТ равна около 6 мм. Для GAGG 90% термализуются в слое толщиной до 2 мм, а средняя глубина термализации соответствует толщине GAGG 0,35 мм. В ходе регистрации антинейтрино часть рожденных позитронов может не полностью термализоваться в толще органического сцинтиллятора, а завершить термализацию в слое неорганического сцинтиллятора, в котором будет регистрироваться аннигиляционный гамма-квант. В таких случаях при формировании мгновенного сигнала к энергии аннигиляционного гамма-кванта будет добавлена оставшаяся часть кинетической энергии позитрона, которую он высвободит в слое неорганического сцинтиллятора. Для учета этого факта при формировании энергетических ворот схемы совпадений регистрации аннигиляционных гамма-квантов и/или ионизационных потерь энергии позитрона необходимо расширить правую границу окна - до 3000 кэВ.In FIG. Figure 6 shows the calculated (simulation in GEANT4) distributions of the positron thermalization depths with energy corresponding to the reverse beta decay reaction in GAGG and HTP. The simulation results show that 90% of the positrons generated during the interaction of reactor antineutrinos with protons are thermalized in an HTP with a thickness of 15 mm, and the average thermalization depth in an HTP is about 6 mm. For GAGG, 90% are thermalized in a layer up to 2 mm thick, and the average thermalization depth corresponds to a GAGG thickness of 0.35 mm. During the registration of antineutrinos, part of the positrons generated may not completely thermalize in the thickness of the organic scintillator, but complete thermalization in the inorganic scintillator layer, in which the annihilation gamma quantum will be recorded. In such cases, when an instantaneous signal is generated, the rest of the kinetic energy of the positron, which it will release in the inorganic scintillator layer, will be added to the energy of the annihilation gamma quantum. To take this fact into account when forming the energy gate of the coincidence pattern of registration of annihilation gamma rays and / or ionization losses of positron energy, it is necessary to expand the right window border to 3000 keV.

Для проверки эффекта влияния остаточной энергии позитронов на регистрируемый сигнал аннигиляционных гамма-квантов было выполнено экспериментальное измерение гамма-спектров от источника позитронов 22Na. Источник 22Na испускает позитроны с граничной энергией 545,6 кэВ и средней энергией 180 кэВ. На фиг. 7 представлен бета-спектр позитронов, испускаемых источником 22Na. Для измерения влияния остаточной энергии позитронов на регистрируемый спектр аннигиляционных гамма-квантов был использован кристалл ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) 10×10×10 мм3, помещенный на входное окно ФЭУ Photonis ХР2020 через иммерсионную смазку, в качестве которой использовалось вазелиновое масло. Кристалл был обернут диффузным белым отражателем, в качестве которого использовалась пленка фторопласта. Точечный источник 22Na типа ОСГИ-Р размещался на верхней грани кристалла BGO, положение источника центрировалось относительно верхней грани. Толщина отражателя на боковых гранях кристалла составляла 0,45 мм, на верхней грани - 0,15 мм. Измерения выполнялись как с использованием алюминиевого поглотителя толщиной 1,2 мм, размещаемого между источником позитронов и кристаллом BGO, так и без поглотителя. При использовании алюминиевого поглотителя позитроны с энергией 545,6 кэВ термализуются в алюминии на средней глубине ~0,6 мм. Толщина поглотителя выбиралась с точки зрения баланса: максимизация доли термализованных позитронов и минимизация вероятности комптоновского рассеивания аннигиляционного гамма-кванта в алюминии. На фиг. 8 представлены полученные гамма-спектры от источника 22Na, зарегистрированные в кристалле BGO при наличие алюминиевого поглотителя между источником и кристаллом и без него. Как видно из полученных спектров, часть кинетической энергии позитронов передается в сцинтиллятор, что приводит к смещению пика полного поглощения аннигиляционных квантов 511 кэВ, а также увеличению его ширины за счет разброса кинетической энергии позитронов в соответствии с их бета-спектром.To check the effect of the residual positron energy on the recorded signal of annihilation gamma rays, an experimental measurement of gamma spectra from a 22 Na positron source was performed. A 22 Na source emits positrons with a boundary energy of 545.6 keV and an average energy of 180 keV. In FIG. 7 shows the beta spectrum of positrons emitted by a source of 22 Na. To measure the influence of the residual positron energy on the recorded spectrum of annihilation gamma-quanta, a Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) 10 × 10 × 10 mm 3 bismuth orthogermanate crystal was used, which was placed on the entrance window of the Photonis XP2020 PMT through an immersion lubricant, which was used Vaseline oil. The crystal was wrapped with a diffuse white reflector, which was used as a fluoroplastic film. The OSGI-R type 22 Na source was located on the upper face of the BGO crystal; the position of the source was centered relative to the upper face. The thickness of the reflector on the side faces of the crystal was 0.45 mm, on the upper side - 0.15 mm. The measurements were carried out both using an aluminum absorber 1.2 mm thick, placed between the positron source and the BGO crystal, and without an absorber. When using an aluminum absorber, positrons with an energy of 545.6 keV are thermalized in aluminum at an average depth of ~ 0.6 mm. The thickness of the absorber was chosen from the point of view of balance: maximizing the fraction of thermalized positrons and minimizing the probability of Compton scattering of the annihilation gamma ray in aluminum. In FIG. Figure 8 shows the obtained gamma spectra from a 22 Na source recorded in a BGO crystal with and without an aluminum absorber between the source and the crystal. As can be seen from the obtained spectra, part of the kinetic energy of the positrons is transferred to the scintillator, which leads to a shift in the peak of total absorption of 511 keV annihilation quanta, as well as an increase in its width due to the spread of the kinetic energy of positrons in accordance with their beta spectrum.

Дополнительная селекция событий осуществляется на основе пространственной селекции областей локализации мгновенных и задержанных событий. На фиг. 11 представлена зависимость максимального угла вылета нейтрона относительно направления первичного антинейтрино при реакции обратного бета-распада, согласно которой максимальный угол вылета нейтронов относительно реакторных антинейтрино с энергией 10 МэВ при реакции обратного бета-распада на протонах не превышает 60° (Angular distribution of the reaction

Figure 00000006
/ P. Vogel, J.F. Beacom // Phys.Rev. D. - 1999. - Vol. 60. - P. 053003). Тогда фактор подавления фоновых процессов может быть оценен как отношение телесного угла полной сферы (4π) к телесному углу, в который вылетает нейтрон: площадь сферического сегмента с вершиной при угле θ и радиусом сферы R равен S1=2πR2(1-cosθ), площадь всей сферы Sall=4πR2, степень подавления есть отношение K=Sall/S1=2/(1-cosθ). Исходя из фиг. 11, для граничной энергии антинейтрино, при которой уже возможна реакция обратного бета-распада, максимальный угол вылета нейтрона составляет ~15°, что дает K=60, а для максимальной энергии антинейтрино 10 МэВ - K=4.Additional selection of events is carried out on the basis of spatial selection of areas of localization of instantaneous and delayed events. In FIG. Figure 11 shows the dependence of the maximum neutron emission angle relative to the direction of the primary antineutrino during the beta-decay reaction, according to which the maximum neutron emission angle relative to 10 MeV reactor antineutrinos during the proton beta-decay reaction does not exceed 60 ° (Angular distribution of the reaction
Figure 00000006
/ P. Vogel, JF Beacom // Phys. Rev. D. - 1999. - Vol. 60. - P. 053003). Then the suppression factor of background processes can be estimated as the ratio of the solid angle of the full sphere (4π) to the solid angle into which the neutron flies: the area of the spherical segment with the vertex at angle θ and the radius of the sphere R is S 1 = 2πR 2 (1-cosθ), the area of the entire sphere is S all = 4πR 2 , the degree of suppression is the ratio K = S all / S 1 = 2 / (1-cosθ). Based on FIG. 11, for the boundary antineutrino energy at which a reverse beta decay reaction is already possible, the maximum neutron emission angle is ~ 15 °, which gives K = 60, and for the maximum antineutrino energy 10 MeV, K = 4.

Осуществление амплитудной селекции полезных событий.The implementation of the amplitude selection of useful events.

Для подавления естественного гамма-фона, регистрируемого неорганическим сцинтиллятором, предложено использовать амплитудную селекцию мгновенных сигналов от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов: регистрация одновременных импульсов в соседних слоях неорганического сцинтиллятора в режиме совпадений. Для реализации режима совпадений предлагается регистрировать синхронные мгновенные сигналы в энергетическом окне с верхним порогом до 3000 кэВ. Ширина энергетического окна, в рамках которого будет производиться амплитудная селекция, влияет на степень подавления скорости счета случайных совпадений.To suppress the natural gamma background recorded by an inorganic scintillator, it is proposed to use amplitude selection of instantaneous signals from ionization losses of positron energy and / or annihilation gamma quanta: registration of simultaneous pulses in adjacent layers of the inorganic scintillator in coincidence mode. To implement the coincidence mode, it is proposed to register synchronous instantaneous signals in the energy window with an upper threshold of up to 3000 keV. The width of the energy window, within which amplitude selection will be performed, affects the degree of suppression of the count rate of random coincidences.

Для оценки степени подавления естественного гамма-фона за счет такой амплитудной селекции были выполнены измерения скорости счета фоновых импульсов в окнах 100-3000 кэВ, 200-3000 кэВ, 400-3000 кэВ и под всем спектром в окне 30-3000 кэВ. Для измерений фона использовался образец кристалла GAGG 10×10×10 мм3, обернутый фторопластовой пленкой, которая служила диффузным белым отражателем. Измерения выполнялись с использованием ФЭУ Photonis ХР2020, кристалл помещался в центре входного окна ФЭУ через иммерсионную смазку, в качестве которой использовалось вазелиновое масло. На фиг. 9 представлен измеренный фоновый спектр, полученный от кристалла GAGG. Энергетическая калибровка шкалы энергий проводилась по гамма-квантам 662 кэВ от источника 137Cs типа ОСГИ-Р. На основе полученных данных установлены следующие степени подавления скорости счета фоновых случайных совпадений:To assess the degree of suppression of the natural gamma background due to such amplitude selection, measurements were made of the count rate of background pulses in the windows 100-3000 keV, 200-3000 keV, 400-3000 keV and under the whole spectrum in the window 30-3000 keV. For background measurements, we used a 10 × 10 × 10 mm 3 GAGG crystal sample wrapped in a fluoroplastic film, which served as a diffuse white reflector. The measurements were carried out using a Photonis XP2020 PMT; the crystal was placed in the center of the PMT entrance window through an immersion lubricant, which was used as liquid paraffin. In FIG. 9 shows the measured background spectrum obtained from a GAGG crystal. Energy calibration of the energy scale was carried out using 662 keV gamma rays from a 137 Cs source of the OSGI-R type. Based on the data obtained, the following degrees of suppression of the count rate of background random matches are established:

- В окне 100-3000 кэВ - в 1,52 раза.- In the window 100-3000 keV - 1.52 times.

- В окне 200-3000 кэВ - в 3,76 раза.- In the window of 200-3000 keV - in 3.76 times.

- В окне 400-3000 кэВ - в 11,07 раза.- In the window of 400-3000 keV - 11.07 times.

В качестве дополнительной амплитудной селекции предлагается использовать триггер на величину поглощенной во всех сегментах неорганического сцинтиллятора энергии каскадных гамма-квантов, испускаемых ядрами Gd после поглощения термализованных нейтронов. Для оценки порога формирования триггера было выполнено компьютерное моделирование в пакете программ GEANT4 процессов передачи энергии от каскадных гамма-квантов слоям неорганического сцинтиллятора. Геометрия модели представляла собой вложенные шаровые сегменты GAGG и ПВТ с толщинами сегментов 10 мм. В центре геометрии помещался источник нейтронов со спектром испускания, соответствующим нейтронам, рожденным в ходе реакции обратного бета-распада при взаимодействии реакторных антинейтрино с протонами (см. фиг. 3). При моделировании для каждого вложенного слоя GAGG и ПВТ определялась величина поглощенной в слое энергии. На фиг. 10 представлены полученные в ходе моделирования распределения поглощенной энергии в последовательности чередующихся слоев GAGG и ПВТ толщиной 10 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду. По результатам расчетов в слоях GAGG поглощается около 88% суммарной энергии каскадных гамма-квантов (суммарная энергия составляет около 8 МэВ), остальная часть энергии поглощается в слоях органического сцинтиллятора. Таким образом, при использовании толщин слоев сцинтиллятора 10 мм, необходимый порог формирования триггера по полной поглощенной энергии задержанного события должен составлять от 5 МэВ и до 10 МэВ (выше граничной энергии каскадных квантов задержанных событий). Указанное энергетическое окно лежит за пределами границы фонового гамма-спектра (около 3 МэВ), что позволяет дополнительно подавить влияние фонового излучения.It is proposed to use a trigger for the amount of energy absorbed in all segments of the inorganic scintillator of the energy of cascade gamma rays emitted by Gd nuclei after absorption of thermalized neutrons as an additional amplitude selection. To estimate the trigger formation threshold, computer simulation was carried out in the GEANT4 software package of the processes of energy transfer from cascade gamma rays to inorganic scintillator layers. The geometry of the model was a nested ball segments GAGG and HTP with a segment thickness of 10 mm. At the center of the geometry was a neutron source with an emission spectrum corresponding to neutrons generated during the reverse beta decay reaction in the interaction of reactor antineutrinos with protons (see Fig. 3). In the simulation, for each embedded GAGG and HTP layer, the energy absorbed in the layer was determined. In FIG. Figure 10 shows the simulation of the distribution of absorbed energy in a sequence of alternating 10 mm thick GAGG and HTP layers during neutron absorption with an emission spectrum corresponding to inverse beta decay. According to the results of calculations, about 88% of the total energy of cascade gamma rays (total energy is about 8 MeV) is absorbed in the GAGG layers, the rest of the energy is absorbed in the layers of the organic scintillator. Thus, when using scintillator layer thicknesses of 10 mm, the necessary trigger formation threshold for the total absorbed energy of the delayed event should be from 5 MeV to 10 MeV (above the boundary energy of the cascade quanta of the delayed events). The indicated energy window lies outside the boundary of the background gamma-ray spectrum (about 3 MeV), which makes it possible to further suppress the influence of background radiation.

Для подавления скорости счета случайных совпадений с фоновыми сигналами при регистрации аннигиляционных гамма-квантов они регистрируются в сегментах неорганического сцинтиллятора в режиме совпадений. При этом дополнительное энерговыделение в сегменте может дать сам позитрон до своей аннигиляции, если на пути к сегменту неорганического сцинтиллятора он не потерял свою кинетическую энергию. На фиг. 12 представлены рассчитанные (моделирование в GEANT4) зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции при толщине слоев ПВТ и GAGG по 10 мм. Полученные зависимости были рассчитаны для спектральных окон 100-3000 кэВ, 200-3000 кэВ, 400-3000 кэВ. При выборе ширины энергетического окна для использования режима совпадений регистрации позитрона по его аннигиляции нужно исходить из оптимизации соотношения двух конкурирующих процессов:To suppress the count rate of random coincidences with background signals during registration of annihilation gamma-quanta, they are recorded in segments of the inorganic scintillator in the coincidence mode. At the same time, the positron itself can give additional energy release in the segment before annihilation, if on the way to the inorganic scintillator segment it has not lost its kinetic energy. In FIG. Figure 12 shows the calculated (simulation in GEANT4) dependences of the probability of detecting a positron by the method of coincidence by its annihilation at a thickness of 10 mm and 10 mm of PVT and GAGG layers. The obtained dependences were calculated for spectral windows of 100-3000 keV, 200-3000 keV, 400-3000 keV. When choosing the width of the energy window for using the coincidence mode of the positron registration by its annihilation, it is necessary to proceed from optimization of the ratio of two competing processes:

1) уменьшение ширины окна способствует подавлению скорости счета фоновых событий;1) reducing the width of the window helps to suppress the count rate of background events;

2) уменьшение ширины окна вызывает уменьшение вероятности регистрации мгновенного сигнала. Выбор ширины окна осуществляется по результатам анализа влияния линейных размеров элементов детектора на энерговыделение при формировании мгновенных сигналов.2) reducing the width of the window reduces the likelihood of registering an instant signal. The choice of the window width is carried out according to the analysis of the influence of the linear dimensions of the detector elements on the energy release during the formation of instantaneous signals.

Дополнительное вето служит для режекции сигналов частиц их космического излучения, прежде всего - мюонов. Отбор формируется по совпадающим сигналам, генерируемым слоями органического сцинтиллятора при прохождении через них частиц космических лучей. Совпадение сигналов в двух и более слоях органического сцинтиллятора означает прохождение через слои частица космического излучения с высокой проникающей способностью, такой сигнал отбраковывается.An additional veto serves to reject the signals of particles of their cosmic radiation, primarily muons. The selection is formed by the coincident signals generated by the layers of the organic scintillator when cosmic ray particles pass through them. The coincidence of signals in two or more layers of an organic scintillator means the passage of cosmic radiation particles with high penetrating power through the layers, such a signal is rejected.

Пример 1.Example 1

Пример конструкции устройства для реализации предложенного способа состоит из сегментированных слоев детектора на основе GAGG в виде пластин, в которых размеры сегментов составляют 30×30×10 мм3, на торце 30×10 мм2 сегмента размещен фотоприемник на основе полупроводникового прибора. Слои неорганического сцинтиллятора разделены слоями органического сцинтиллятора ПВТ толщиной 100 мм. На фиг. 13 представлены рассчитанные (моделирование в GEANT4) распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 100 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду (см. фиг. 3). По результатам расчетов доля совокупного энерговыделения каскадных гамма-квантов, оставляющих свою энергию в слоях GAGG, при поглощении нейтрона от реакции обратного бета-распада составит 48.7% от полного энерговыделения, равного 5-8 МэВ. Снижение амплитуды задержанных сигналов негативно скажется на селекции полезных событий, т.к. увеличится влияние фона естественных гамма-излучающих радионуклидов. На фиг. 16 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 100 мм, GAGG 10 мм. Повышенная толщина ПВТ приводит к увеличению комптоновского рассеивания и поглощения аннигиляционных гамма-квантов, что негативно сказывается на вероятности их регистрации методом совпадений в GAGG.An example of the design of the device for implementing the proposed method consists of segmented layers of a GAGG-based detector in the form of plates in which the sizes of the segments are 30 × 30 × 10 mm 3 , and a photodetector based on a semiconductor device is placed at the end of 30 × 10 mm 2 segments. The inorganic scintillator layers are separated by 100 mm thick layers of an organic scintillator. In FIG. 13 shows the calculated (simulation in GEANT4) distribution of absorbed energy in 10 mm thick GAGG and 100 mm thick HTP layers upon neutron absorption with an emission spectrum corresponding to inverse beta decay (see FIG. 3). According to the calculation results, the fraction of the total energy release of cascade gamma rays leaving their energy in the GAGG layers upon absorption of the neutron from the reverse beta decay reaction will be 48.7% of the total energy release equal to 5-8 MeV. A decrease in the amplitude of the delayed signals will negatively affect the selection of useful events, because the background effect of natural gamma-emitting radionuclides will increase. In FIG. Figure 16 shows the dependences of the positron registration probability by the method of coincidence by its annihilation, the thickness of the PVT layers is 100 mm, and GAGG is 10 mm. The increased thickness of the HTP leads to an increase in Compton scattering and absorption of annihilation gamma rays, which negatively affects the probability of their registration by the coincidence method in GAGG.

Пример 2.Example 2

Пример конструкции устройства для реализации предложенного способа состоит из сегментированных слоев детектора на основе GAGG в виде пластин, в которых размеры сегментов составляют 30×30×10 мм3, на торце 30×10 мм2 сегмента размещен фотоприемник на основе полупроводникового прибора. Слои неорганического сцинтиллятора разделены слоями органического сцинтиллятора ПВТ толщиной 5 мм. На фиг. 14 представлены рассчитанные (моделирование в GEANT4) распределения поглощенной энергии в слоях GAGG толщиной 10 мм и ПВТ толщиной 5 мм при поглощении нейтрона со спектром испускания, соответствующему обратному бета-распаду. По результатам расчетов доля совокупного энерговыделения каскадных гамма-квантов в слоях GAGG при поглощении нейтрона от реакции обратного бета-распада составит 93.1% от полного энерговыделения каскадных гамма-квантов в слоях GAGG, равного 5-8 МэВ. На фиг. 17 представлены зависимости вероятности регистрации позитрона методом совпадений по его аннигиляции, толщина слоев ПВТ 5 мм, GAGG 10 мм. Увеличение доли GAGG в объеме детектора повышает вероятность регистрации позитронов, но уменьшение толщины ПВТ ухудшает условия термализации нейтронов, что, в свою очередь, ухудшает локализацию задержанного сигнала.An example of the design of the device for implementing the proposed method consists of segmented layers of a GAGG-based detector in the form of plates in which the sizes of the segments are 30 × 30 × 10 mm 3 , and a photodetector based on a semiconductor device is placed at the end of 30 × 10 mm 2 segments. The inorganic scintillator layers are separated by 5 mm thick layers of an organic scintillator. In FIG. Figure 14 shows the calculated (simulation in GEANT4) distribution of absorbed energy in 10 mm thick GAGG and 5 mm thick HTP layers during neutron absorption with an emission spectrum corresponding to inverse beta decay. According to the calculation results, the fraction of the total energy release of cascade gamma rays in the GAGG upon absorption of a neutron from the reverse beta decay reaction will be 93.1% of the total energy release of cascade gamma rays in the GAGG layers, equal to 5-8 MeV. In FIG. Figure 17 shows the dependences of the positron registration probability by the method of coincidence by its annihilation, the thickness of the PVT layers is 5 mm, and GAGG is 10 mm. An increase in the share of GAGG in the detector volume increases the probability of detecting positrons, but a decrease in the HTP thickness worsens the conditions for thermalization of neutrons, which, in turn, worsens the localization of the delayed signal.

Figure 00000007
Figure 00000007

Пример 3.Example 3

Пример конструкции устройства для реализации предложенного способа состоит из сегментированных слоев детектора на основе гадолиний-содержащего сцинтиллятора в виде пластин с размерами 30×10×500 мм, с размещенными на торцах фотоприемниками на основе полупроводникового прибора. Схематический рисунок одного сегмента представлен на фиг. 15. Сегменты неорганического сцинтиллятора с двойным трактом регистрации образуют слои, разделенные сплошными слоями органического сцинтиллятора на основе поливинилтолуола (ПВТ). Пространственная селекция событий осуществляется в сегментах неорганического сцинтиллятора путем вычисления задержки времени прихода сцинтилляционных фотонов на фотоприемники, размещенные на боковых гранях, из которой вычисляется продольная координата области первоначального энерговыделения в сегменте. Временное разрешение кристаллов GAGG в режиме совпадений для аннигиляционных гамма-квантов 511 кэВ Δt<250 пс (Effect of Mg2+ ions co-doping on timing performance and radiationtolerance of Cerium doped Gd3Al2Ga3O12 crystals / M.T. Lucchini [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2016. - Vol. 816. - P. 176-183), (A PET detector prototype based on digital SiPMs and GAGG scintillators / F. R. Schneider [et al.] // Phys. Med. Biol. - 2015. - Vol. 60. - P. 1667-1679) и, учитывая скорость распространения света v=c/n в кристалле GAGG при показателе преломления n=1,85 для максимума спектра высвечивания сцинтилляций, можно оценить пространственное разрешение ΔL формирования сигнала как ΔL=Δt*c/n=40 мм.An example of the design of the device for implementing the proposed method consists of segmented detector layers based on a gadolinium-containing scintillator in the form of plates with dimensions of 30 × 10 × 500 mm, with photodetectors based on a semiconductor device placed at the ends. A schematic drawing of one segment is shown in FIG. 15. The segments of the inorganic scintillator with a double registration path form layers separated by continuous layers of an organic scintillator based on polyvinyl toluene (PVT). Spatial selection of events is carried out in segments of the inorganic scintillator by calculating the time delay of arrival of scintillation photons at photodetectors placed on the side faces, from which the longitudinal coordinate of the initial energy release region in the segment is calculated. Time resolution of GAGG crystals in coincidence mode for 511 keV annihilation gamma rays Δt <250 ps (Effect of Mg 2+ ions co-doping on timing performance and radiationtolerance of Cerium doped Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 crystals / MT Lucchini [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sect. A: Accelerators Spectrometers Detectors and Assoc. Equipment. - 2016. - Vol. 816. - P. 176-183), (A PET detector prototype based on digital SiPMs and GAGG scintillators / FR Schneider [et al.] // Phys. Med. Biol. - 2015. - Vol. 60. - P. 1667-1679) and, taking into account the speed of light propagation v = c / n in the GAGG crystal at the exponent refraction n = 1.85 for the maximum of the scintillation emission spectrum, we can estimate the spatial resolution ΔL of signal formation as ΔL = Δt * c / n = 40 mm.

Claims (5)

1. Способ регистрации реакторных антинейтрино, заключающийся в том, что регистрируют фотоны сцинтилляций, образующиеся при попадании аннигиляционных гамма-квантов и нейтронов в гамма-лучевой сцинтиллятор на основе неорганического материала, содержащего атомы гадолиния, а гамма-лучевой сцинтиллятор на основе органического материала, содержащего атомы водорода и находящийся в непосредственной близости к сцинтиллятору на основе неорганического материала, используют в качестве протон-содержащей мишени, среды для замедления позитронов и нейтронов, а также активной защиты от заряженной и нейтронной компоненты фонового космического излучения, отличающийся тем, что в гамма-лучевом сцинтилляторе на основе неорганического материала, содержащего атомы гадолиния, определяют координату взаимодействия гамма-квантов, момент взаимодействия во времени и выделенную в результате взаимодействия энергию и отделяют полезные события от фоновых, регистрируя энерговыделение от аннигиляционных гамма-квантов в энергетическом диапазоне 400-3000 кэВ, от нейтронов в энергетическом диапазоне 5000-8000 кэВ, регистрируют мгновенные совпадения от ионизационных потерь энергии позитрона и/или аннигиляционных гамма-квантов во временном окне 10-8 с и задержанные на время 10-5 - 10-6 с сигналы от нейтронов и анализируют на соответствие заранее рассчитанным компьютерным моделям пространственные области в гамма-лучевом сцинтилляторе на основе неорганического материала, в которых мгновенно либо в определенных временных интервалах было зарегистрировано указанное энерговыделение.1. The method of detecting reactor antineutrinos, which consists in registering scintillation photons generated when the annihilation gamma rays and neutrons get into the gamma ray scintillator based on an inorganic material containing gadolinium atoms, and a gamma ray scintillator based on an organic material containing organic material containing hydrogen atoms and located in close proximity to a scintillator based on inorganic material are used as a proton-containing target, a medium for slowing down positrons and neutrons, as well as active protection from the charged and neutron components of background cosmic radiation, characterized in that in gamma ray a scintillator based on an inorganic material containing gadolinium atoms determines the coordinate of the interaction of gamma quanta, the moment of interaction in time and the energy released as a result of the interaction, and separate useful events from background ones, registering energy release from annihilation gamma quanta in e in the energetic range of 400-3000 keV, from neutrons in the energy range of 5000-8000 keV, instant coincidences from ionization losses of positron energy and / or annihilation gamma-quanta in a time window of 10 -8 s and delayed by 10 -5 - 10 -6 are recorded c signals from neutrons and analyze for compliance with pre-calculated computer models the spatial regions in the gamma ray scintillator based on inorganic material in which the indicated energy release was recorded instantly or at certain time intervals. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, используют материалы из ряда: Gd2SiO5, Gd2Si2O7, GdBr3, Gd3Al2Ga3O12 в форме монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы Се и/или Tb и/или Eu, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве до 2 ат.%.2. The method according to p. 1, characterized in that as an inorganic scintillation material containing gadolinium atoms, use materials from the series: Gd 2 SiO 5 , Gd 2 Si 2 O 7 , GdBr 3 , Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 in the form of a single-crystal or polycrystalline material, containing Ce and / or Tb and / or Eu atoms as an activator, which are introduced into the composition of the material, replacing one or more elements in an amount of up to 2 at.%. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в неорганических сцинтилляционных материалах, содержащих атомы гадолиния, замещают до 60% атомов Gd атомами Y или лантаноидами.3. The method according to p. 2, characterized in that in inorganic scintillation materials containing gadolinium atoms, replace up to 60% of the Gd atoms with Y atoms or lanthanides. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неорганического сцинтилляционного материала, содержащего атомы гадолиния, используют сцинтилляционное стекло, содержащее оксиды Gd, Si, а в качестве активатора атомы Се и/или Tb.4. The method according to p. 1, characterized in that as an inorganic scintillation material containing gadolinium atoms, scintillation glass containing Gd, Si oxides is used, and Ce and / or Tb atoms are used as an activator. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического сцинтилляционного материала, содержащего атомы водорода, используют пластиковые сцинтилляторы или жидкие сцинтилляторы, не содержащие в своем составе гадолиний.5. The method according to p. 1, characterized in that as an organic scintillation material containing hydrogen atoms, plastic scintillators or liquid scintillators are used that do not contain gadolinium.
RU2019138348A 2019-11-27 2019-11-27 Method of detecting reactor antineutrinos RU2724133C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138348A RU2724133C1 (en) 2019-11-27 2019-11-27 Method of detecting reactor antineutrinos

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138348A RU2724133C1 (en) 2019-11-27 2019-11-27 Method of detecting reactor antineutrinos

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724133C1 true RU2724133C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138348A RU2724133C1 (en) 2019-11-27 2019-11-27 Method of detecting reactor antineutrinos

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724133C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2308056C1 (en) * 2006-03-09 2007-10-10 ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" Scintillation detector
RU2361238C1 (en) * 2007-12-25 2009-07-10 Александр Витальевич Гребенник Method of recording antineutrino from atomic reactors
WO2018022124A1 (en) * 2016-07-27 2018-02-01 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Antineutrino detection based on heterogeneous scintillation lattice

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2308056C1 (en) * 2006-03-09 2007-10-10 ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" Scintillation detector
RU2361238C1 (en) * 2007-12-25 2009-07-10 Александр Витальевич Гребенник Method of recording antineutrino from atomic reactors
WO2018022124A1 (en) * 2016-07-27 2018-02-01 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Antineutrino detection based on heterogeneous scintillation lattice

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Haghighat et al. Observation of Reactor Antineutrinos with a Rapidly-Deployable Surface-Level Detector. Center for Neutrino Physics. Department of Physics. Virginia Tech, Blacksburg, VA (Dated: December 6, 2018). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9182508B2 (en) Neutron detector using neutron absorbing scintillating particulates in plastic
US7582880B2 (en) Neutron detector using lithiated glass-scintillating particle composite
US8436315B1 (en) Compact thermal neutron monitor
US7525101B2 (en) Neutron and gamma ray monitor
US20050023479A1 (en) Neutron and gamma ray monitor
US8058624B2 (en) Method of detection of fast neutrons
EP2460032A1 (en) Apparatus and method for neutron detection by capture-gamma calorimetry
Valdés-Galicia et al. An improved solar neutron telescope installed at a very high altitude in Mexico
Ryzhikov et al. Advanced multilayer composite heavy-oxide scintillator detectors for high-efficiency fast neutron detection
Ryzhikov et al. Multi-layer fast neutron detectors based on composite heavy-oxide scintillators for detection of illegal nuclear materials
RU2663683C1 (en) Method for registration of neutrons and device for its implementation
RU2724133C1 (en) Method of detecting reactor antineutrinos
Ryzhikov et al. Fast neutron detectors and portal monitors based on solid-state heavy-oxide scintillators
Bertoldo et al. Cosmic muon flux attenuation methods for superconducting qubit experiments
Tajudin et al. Full-energy peak efficiency and response function of 1 cm3 CdZnTe detectors
Pausch et al. Neutron detection based on capture-gamma sensing and calorimetry
Shao et al. Design of a Portable Phoswich Detector for Simultaneous α, β, and γ Identification
Mukhopadhyay Plastic gamma sensors: an application in detection of radioisotopes
RU2361238C1 (en) Method of recording antineutrino from atomic reactors
Farsoni et al. A two-channel phoswich detector for dual and triple coincidence measurements of radioxenon isotopes
Watanabe Detectors Using Radiation Induced Luminescence
D'imperio et al. The SABRE experiment for dark matter search
RU2347241C1 (en) Detector for recording of ionising radiation
Naydenov et al. Advanced multilayer composite structures for fast neutron detection and shielding protection applications
Dazeley et al. Antineutrino detection based on 6Li-doped pulse shape sensitive plastic scintillator and gadolinium-doped water