RU2730392C1 - Neutron scintillation detector - Google Patents

Neutron scintillation detector Download PDF

Info

Publication number
RU2730392C1
RU2730392C1 RU2020101542A RU2020101542A RU2730392C1 RU 2730392 C1 RU2730392 C1 RU 2730392C1 RU 2020101542 A RU2020101542 A RU 2020101542A RU 2020101542 A RU2020101542 A RU 2020101542A RU 2730392 C1 RU2730392 C1 RU 2730392C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neutrons
gamma
glass
quanta
gamma quanta
Prior art date
Application number
RU2020101542A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Александрович Юдов
Юрий Илларионович Чернухин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина"
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2020101542A priority Critical patent/RU2730392C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730392C1 publication Critical patent/RU2730392C1/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
    • G01T1/2006Measuring radiation intensity with scintillation detectors using a combination of a scintillator and photodetector which measures the means radiation intensity

Landscapes

  • 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 detecting fast and thermal neutrons. Essence of the invention is that the neutron scintillation detector comprises a scintillation sensor assembled of alternating elements composed of plates in form of a plastic scintillator for detecting fast neutrons and gamma-quanta, with longitudinal channels made on their side surfaces, in which re-emitting fibers are laid, and separate layers of glass fiber, in the form of which there is a glass scintillator for detecting thermal neutrons and gamma-quanta, wherein to each alternating element separate photodetectors are connected, and thickness of alternating elements is selected provided that average path length of neutrons and gamma-quanta is greater than total thickness of plate and glass fiber layer.
EFFECT: high gamma radiation discrimination coefficient.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области детектирования быстрых и тепловых нейтронов в условиях повышенного γ-фона и может быть использовано в стационарных и переносных устройствах обнаружения делящихся и радиоактивных материалов по их собственному нейтронному излучению.The invention relates to the field of detection of fast and thermal neutrons in conditions of increased γ-background and can be used in stationary and portable devices for detecting fissile and radioactive materials by their own neutron radiation.

Известны сцинтилляционные детекторы быстрых нейтронов с дискриминацией гамма-квантов (Столярова Е.А. Нейтронные спектрометры и их применение в прикладных задачах. М.: Атомиздат, 1969). Детекторы на основе органического кристалла стильбена позволяют осуществлять дискриминацию гамма-квантов по форме импульса. Однако их применение ограничено из-за небольших размеров кристалла и нечувствительности к тепловым нейтронам.Known scintillation detectors of fast neutrons with discrimination of gamma quanta (Stolyarova EA Neutron spectrometers and their application in applied problems. M .: Atomizdat, 1969). Detectors based on an organic stilbene crystal allow discrimination of gamma quanta by pulse shape. However, their application is limited due to the small size of the crystal and insensitivity to thermal neutrons.

Известен сцинтилляционный детектор быстрых и тепловых нейтронов (патент РФ №2259571 G01T 1/20, 3/06, опубл. 27.08.2005). Детектор состоит из датчика и блока электронной обработки сигналов. Датчик состоит из двух сцинтилляторов: пластмассового, чувствительного к быстрым нейтронам, и стеклянного, содержащего литий-6, чувствительного к тепловым нейтронам. Данный детектор не позволяет производить разделение нейтронов и гамма-квантов и, таким образом, не позволяет обнаруживать источники нейтронного излучения на фоне гамма-излучения.Known scintillation detector of fast and thermal neutrons (RF patent No. 2259571 G01T 1/20, 3/06, publ. 27.08.2005). The detector consists of a sensor and an electronic signal processing unit. The sensor consists of two scintillators: a plastic one, sensitive to fast neutrons, and a glass one containing lithium-6, sensitive to thermal neutrons. This detector does not allow for the separation of neutrons and gamma quanta and, thus, does not allow the detection of neutron radiation sources against the background of gamma radiation.

Известны детекторы (патент РФ RU 2129289, G01T 1/167; опубл. 20.04.1999), в которых для регистрации гамма-излучения используются пластмассовые сцинтилляторы большой площади, а для регистрации нейтронов - гелиевые разрядные нейтронные детекторы. Недостатком данного детектора является отсутствие раздельной регистрации нейтронов и гамма-квантов.Known detectors (RF patent RU 2129289, G01T 1/167; publ. 20.04.1999), in which large-area plastic scintillators are used to register gamma radiation, and helium discharge neutron detectors are used to register neutrons. The disadvantage of this detector is the lack of separate registration of neutrons and gamma quanta.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов на основе пластика и 6Li-силикатного стекла, содержащий датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов, описанный в патенте РФ №2143711, МПК G01T 1/20, опубл. 29.12.1999 г. под названием «Детектор для регистрации ионизирующего излучения».Known scintillation neutron detector based on plastic and 6 Li-silicate glass, containing a sensor-scintiblock and an electronic signal processing unit, described in RF patent No. 2143711, IPC G01T 1/20, publ. 12/29/1999 under the name "Detector for registration of ionizing radiation."

Недостаткам данного технического решения является невозможность обеспечения эффективной регистрации как быстрых, так и тепловых нейтронов с помощью компактных фотодиодных устройств или многоканальных фотоэлектронных умножителей, поскольку детектор рассчитан на работу в сочетании с обычными однооконными, т.е. одноканальными фотоэлектронными умножителями в качестве фотоприемников.The disadvantages of this technical solution is the impossibility of ensuring effective registration of both fast and thermal neutrons using compact photodiode devices or multichannel photomultiplier tubes, since the detector is designed to operate in combination with conventional single-window ones, i.e. single-channel photomultiplier tubes as photodetectors.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является детектор, описанный в патенте РФ №2300782, МПК G01T 1/20, опубл. 10.06.2007 г. под названием «Сцинтилляционный детектор нейтронов». Сцинтилляционный детектор нейтронов, содержащий датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, со светоотражающим покрытием и продольными каналами по внешней боковой поверхности, и стеклянный сцинтиллятор на основе активированного церием 6Li-силикатного стекла для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, выполненный в виде стекловолокон, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора или фотоумножителя и блок электронной обработки сигналов.The closest and selected as a prototype is the detector described in RF patent No. 2300782, IPC G01T 1/20, publ. June 10, 2007 under the name "Scintillation neutron detector". Scintillation neutron detector containing a scintiblock sensor, which includes a plastic scintillator for recording fast neutrons and gamma quanta, with a reflective coating and longitudinal channels along the outer side surface, and a glass scintillator based on cerium 6 activated Li-silicate glass for detecting thermal neutrons and gamma quanta, made in the form of glass fibers, a photodetector in the form of a photodiode recorder or photomultiplier, and an electronic signal processing unit.

К недостаткам известного сцинтилляционного детектора относится отсутствие возможности разделения нейтронного и гамма-излучения с целью последующей дискриминации гамма-излучения.The disadvantages of the known scintillation detector include the inability to separate neutron and gamma radiation with the aim of subsequent discrimination of gamma radiation.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей сцинтилляционного детектора нейтронов за счет увеличения чувствительности к нейтронному излучению и повышением эффективности регистрации как быстрых, тепловых нейтронов и гамма-излучения с обеспечением высокого коэффициента дискриминации сопутствующего гамма-излучения (Кγ>>103).The objective of the claimed invention is to improve the operational capabilities of the scintillation neutron detector by increasing the sensitivity to neutron radiation and increasing the detection efficiency of both fast, thermal neutrons and gamma radiation, while ensuring a high discrimination factor of the accompanying gamma radiation (K γ >> 10 3 ).

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в обеспечении высокого коэффициента дискриминации гамма-излучения за счет временной дискриминации коррелированных сигналов от гамма-квантов в слоях детектора дополнительно к обычно используемой амплитудной дискриминации с сохранением эффективности регистрации нейтронного излучения, за счет использования амплитудно-временного разделения сигналов от нейтронов и гамма-квантов при сохранении высокой эффективности регистрации нейтронного излучения.The technical result, which makes it possible to solve the problem posed, is to ensure a high discrimination coefficient of gamma radiation due to the time discrimination of correlated signals from gamma quanta in the detector layers in addition to the usually used amplitude discrimination while maintaining the efficiency of registration of neutron radiation, due to the use of amplitude-time separation of signals from neutrons and gamma quanta while maintaining high efficiency of registration of neutron radiation.

Это достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе нейтронов, содержащем датчик-сцинтиблок, включающем в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма квантов, со светоотражающим покрытием и продольными каналами по внешней боковой поверхности, стеклянный сцинтиллятор на основе активированного церием 6Li-силикатного стекла для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, выполненный в виде стекловолокон, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора или фотоумножителя и блок электронной обработки сигналов согласно изобретению, датчик-сцинтиблок собран из чередующихся элементов, составленных из пластин, в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, с продольными каналами, выполненными на их боковых поверхностях, в которые уложены переизлучающие волокна, и отдельных слоев стекловолокна, в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, при этом к каждому чередующемуся элементу подключены отдельные фотоприемные устройства, а толщина чередующихся элементов выбрана при условии, что средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов больше суммарной толщины пластины и слоя стекловолокна.This is achieved by the fact that in a scintillation neutron detector containing a scintiblock sensor, including a plastic scintillator for registering fast neutrons and gamma quanta, with a reflective coating and longitudinal channels on the outer side surface, a glass scintillator based on cerium 6 -activated Li-silicate glass for registration of thermal neutrons and gamma quanta, made in the form of glass fibers, a photodetector in the form of a photodiode recorder or a photomultiplier and an electronic signal processing unit according to the invention, a scintiblock sensor is assembled from alternating elements made up of plates, in the form of which a plastic scintillator is made for registration fast neutrons and gamma-quanta, with longitudinal channels made on their lateral surfaces, in which re-emitting fibers are laid, and separate layers of glass fiber, in the form of which a glass scintillator is made to register thermal neutrons and gamma-quanta, while m, separate photodetectors are connected to each alternating element, and the thickness of the alternating elements is selected on the condition that the average path length of neutrons and gamma quanta is greater than the total thickness of the plate and fiberglass layer.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.An analysis of the state of the art, carried out by the applicant, including a search for patent and scientific and technical sources of information and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all essential features of the claimed invention, but the definition from the list identified analogs of the prototype, as the closest analogue in terms of a set of features, made it possible to identify a set of significant in relation to the technical result perceived by the applicant of the distinctive features in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.Consequently, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under the current legislation.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.To check the compliance of the claimed invention with the condition of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not follow explicitly for a specialist from the prior art.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».Therefore, the claimed invention complies with the “inventive step” requirement.

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлена схема сцинтилляционного детектора нейтронов.FIG. 1 is a schematic diagram of a scintillation neutron detector.

На фиг. 2 представлена схема размещения элементов в сцинтилляционном детекторе нейтронов.FIG. 2 shows the layout of the elements in the scintillation neutron detector.

На фиг. 3 представлена схема регистрации сигналов со сцинтилляционного детектора нейтронов устройством с амплитудно-временной дискриминацией γ-излучения.FIG. 3 shows a diagram of the registration of signals from a scintillation neutron detector by a device with amplitude-time discrimination of γ-radiation.

На чертежах введены следующие обозначения:The following symbols have been introduced in the drawings:

1 - пластины пластикового сцинтиллятора Ci, где i=1, 2…i+1(CH1.1, ρ=1,06 г/см3) (Ci-пластины 1);1 - plates of a plastic scintillator C i , where i = 1, 2 ... i + 1 (CH 1.1 , ρ = 1.06 g / cm 3 ) (C i- plates 1);

2 - слои стеклянного сцинтиллятора Bi, где i=1, 2…i (Si1.0 O2.58 6Li0.363 7Li0.027. ρ=2,58 г/см3 (Bi-слои 2 стекловолокна) из сцинтиллирующего стекловолокна активированного изотопом 6Li;2 - layers of the glass scintillator B i , where i = 1, 2 ... i (Si 1.0 O 2.58 6 Li 0.363 7 Li 0.027. Ρ = 2.58 g / cm 3 (B i - glass fiber layers 2) from scintillating glass fiber activated by an isotope 6 Li;

3 - переизлучающее волокно;3 - re-emitting fiber;

4 - продольные каналы в пластинах пластикового сцинтиллятора, в которые уложено переизлучающее волокно;4 - longitudinal channels in the plastic scintillator plates, in which the re-emitting fiber is laid;

5 - линейка отдельных фотоприемников, к которым подсоединено сцинтиллирующее стекловолокно от каждого слоя;5 - a line of separate photodetectors, to which scintillating fiberglass from each layer is connected;

6 - линейка отдельных фотоприемников, к которым подсоединено переизлучающее волокно от каждого С-слоя.6 - a line of individual photodetectors to which re-emitting fiber from each C-layer is connected.

Для светоизоляции С- и В-слоев 1 и 2 все пластины пластикового сцинтиллятора в сцинтиблоке закрыты тонкой пленкой из светоотражающего материала.For light insulation of C- and B-layers 1 and 2, all plates of the plastic scintillator in the scintiblock are covered with a thin film of reflective material.

Сцинтилляционный детектор нейтронов содержит датчик-сцинтиблок, выполненный (фиг. 1) из чередующихся Ci, где i=1, 2…i+1 пластин 1 (Ci -пластин 1), в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов (СН1.1, ρ=1,06 г/см3) и слоев 2 из сцинтиллирующего стекловолокна Bi, где i=1, 2…i (Bi-слоев 2 стекловолокна), активированных изотопом 6Li (Si1.0 O2.58 6Li0.363 7Li0.027. ρ=2,58 г/см3), в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов. В продольные каналы 4 Ci-пластин 1 (фиг. 2) пластикового сцинтиллятора, выполненных на их внешней и внутренней боковых поверхностях, уложены переизлучающие волокна 3 (фиг. 2), с одной стороны все переизлучающие волокна 3 собраны в пучок и их торцы подключены к отдельным фотоприемникам 6 (фиг. 1). В датчике-сцинтиблоке каждый слой подключен к отдельному фотоприемному устройству 5 или 6 (фиг. 1). Сцинтилляционный детектор нейтронов содержит блок электронной обработки сигналов (фиг. 3). Для реализации временной зависимости между регистрацией быстрых нейтронов и гамма-квантов в Ci-пластинах 1 и Bi-слоях 2 стекловолокна датчика-сцинтиблока необходимо, чтобы толщина чередующихся элементов: пластин 1 и Bi-слоев 2 стекловолокна, была выбрана таким образом, чтобы средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов была больше или равна суммарной толщине Ci-пластин 1 и Bi-слоев 2 стекловолокна, т.е. должно выполняться условие Re (Rn)≥(ΔBC), где Re - средняя длина пробега быстрых заряженных частиц, образующихся при взаимодействии регистрируемого гамма-излучения с Ci-пластин 1, Rn - средняя длина пробега нейтрона, а ΔC, ΔB - толщины Ci-пластин 1 и Bi-слоев 2 стекловолокна соответственно.The scintillation neutron detector contains a scintillation sensor made (Fig. 1) of alternating C i , where i = 1, 2 ... i + 1 plates 1 (C i- plates 1), in the form of which a plastic scintillator is made for registering fast neutrons and gamma quanta (СН 1.1 , ρ = 1.06 g / cm 3 ) and layers 2 of scintillating glass fiber B i , where i = 1, 2 ... i (B i layers 2 of glass fibers), activated by the 6 Li isotope (Si 1.0 O 2.58 6 Li 0.363 7 Li 0.027. Ρ = 2.58 g / cm 3 ), in the form of which a glass scintillator is made to register thermal neutrons and gamma quanta. In the longitudinal channels 4 C i plates 1 (Fig. 2) of the plastic scintillator, made on their outer and inner side surfaces, re-emitting fibers 3 are laid (Fig. 2), on one side all re-emitting fibers 3 are collected in a bundle and their ends are connected to separate photodetectors 6 (Fig. 1). In the scintiblock sensor, each layer is connected to a separate photodetector 5 or 6 (Fig. 1). The scintillation neutron detector contains an electronic signal processing unit (Fig. 3). To implement the time dependence between the registration of fast neutrons and gamma-quanta in C i- plates 1 and B i- layers 2 of glass fiber of the scintiblock sensor, it is necessary that the thickness of alternating elements: plates 1 and B i- layers 2 of glass fiber, be chosen in such a way, so that the average path length of neutrons and gamma quanta is greater than or equal to the total thickness of C i plates 1 and B i layers 2 of glass fiber, i.e. the condition R e (R n ) ≥ (Δ B + Δ C ) must be satisfied, where R e is the average path length of fast charged particles formed during the interaction of the detected gamma radiation with C i- plates 1, R n is the average path length of a neutron , and Δ C , Δ B are the thicknesses of C i -plates 1 and B i- layers 2 of glass fiber, respectively.

Устройство работает следующим образом. Нейтроны и гамма-кванты падают на фронтальную поверхность сцинтилляционного детектора нейтронов и, взаимодействуя с веществом его рабочих Ci-пластин 1 и Bi-слоев 2 стекловолокна, создают поток быстрых протонов, электронов (позитронов), энергия Е которых в детектирующих элементах преобразуется в световые сцинтилляции, регистрируемые фотоприемниками 5 и 6 от каждого элемента датчика-сцинтиблока (фиг. 3). При этом регистрация нейтронов и гамма-квантов в Bi-слоях 2 стекловолокна является вторичным процессом по отношению к процессу первичного их взаимодействия в Ci-пластинах 1, т.е. каждому акту-регистрации гамма-кванта или нейтрона в Bi-слоях 2 стекловолокна с большой долей вероятности предшествует акт их регистрации в Ci-пластинах 1.The device works as follows. Neutrons and gamma quanta fall on the frontal surface of the scintillation neutron detector and, interacting with the substance of its working C i plates 1 and B i layers 2 of glass fiber, create a flux of fast protons, electrons (positrons), the energy E of which is converted in the detecting elements into light scintillations recorded by photodetectors 5 and 6 from each element of the scintiblock sensor (Fig. 3). In this case, the registration of neutrons and gamma quanta in B i layers 2 of glass fiber is a secondary process with respect to the process of their primary interaction in C i plates 1, i.e. each act of registration of a gamma quantum or neutron in B i -layers 2 of glass fiber with a high degree of probability is preceded by an act of their registration in C i- plates 1.

При регистрации гамма-квантов, сигнал в Bi-слоях 2 стекловолокна образуется за счет регистрации быстрых электронов (позитронов), образовавшихся при взаимодействии гамма-квантов с веществом предшествующих Ci-пластин 1.When registering gamma quanta, the signal in the B i layers 2 of glass fiber is formed due to the registration of fast electrons (positrons) formed during the interaction of gamma quanta with the substance of the previous C i plates 1.

При регистрации нейтронов, сигнал в Bi-слоях 2 стекловолокна возникает в результате экзотермической реакции 6Li(n,α)T с энерговыделением 4,8 МэВ на тепловых нейтронах, образующихся при их предварительном замедлении за счет их упругих столкновений с ядрами водорода в Ci-пластинах 1, что ведет к появлению в Ci-пластинах 1 протонов отдачи и образованию сигнала.When registering neutrons, the signal in B i layers 2 of glass fiber arises as a result of the exothermic reaction 6 Li (n, α) T with an energy release of 4.8 MeV on thermal neutrons, which are formed during their preliminary deceleration due to their elastic collisions with hydrogen nuclei in C i- plates 1, which leads to the appearance of recoil protons in C i- plates 1 and the formation of a signal.

Согласно проведенным расчетам, максимальная поглощенная энергия электронов в Bi-слоях 2 стекловолокна сцинтилляционного детектора нейтронов в широком диапазоне энергий гамма-квантов источника Еγ≈(1÷10) МэВ не превышает значения εm~1,5 МэВ, что существенно меньше энергии заряженных частиц экзотермической реакции 6Li(n,α)T, определяющих регистрацию нейтронов в этих Bi-слоях 2 стекловолокна после их замедления и термализации в Ci-пластинах 1 пластикового сцинтиллятора для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов. Выбор соответствующего порога регистрации сигналов в Bi-слоях 2 стекловолокна позволяет реализовать амплитудную дискриминацию гамма-излучения и достичь коэффициента дискриминации регистрируемых в Bi-слоях 2 стекловолокна гамма-квантов, Kn/γ~103 (фиг. 3).According to the calculations, the maximum absorbed energy of electrons in B i -layers 2 of the glass fiber of the scintillation neutron detector in a wide range of energies of gamma quanta of the source E γ ≈ (1 ÷ 10) MeV does not exceed the value of ε m ~ 1.5 MeV, which is significantly less than the energy charged particles of the exothermic reaction 6 Li (n, α) T, which determine the registration of neutrons in these B i layers 2 of glass fibers after their slowing down and thermalization in the C i plates 1 of a plastic scintillator for registering fast neutrons and gamma quanta. The choice of the appropriate threshold for the registration of signals in the B i -layers 2 of glass fiber allows you to realize the amplitude discrimination of gamma radiation and achieve the discrimination coefficient recorded in the B i -layers 2 of the glass fiber gamma quanta, K n / γ ~ 10 3 (Fig. 3).

Таким образом, тепловые нейтроны регистрируются Bi-слоями 2 стекловолокна с дискриминацией гамма-излучения посредством выбора порога амплитудной дискриминации (фиг. 3). При регистрации нейтронов амплитудный дискриминатор от Bi-слоев 2 стекловолокна пропускает сигналы с амплитудой, превышающей пороговое значение А0, соответствующее регистрации в нем нейтронов, и не пропускает сигналы, с амплитудами А<А0, соответствующие регистрации гамма-квантов, (амплитудная ступень n/γ - дискриминации Кn/γ~103).Thus, thermal neutrons are detected by B i -glass fiber layers 2 with gamma-ray discrimination by choosing an amplitude discrimination threshold (Fig. 3). When registering neutrons, the amplitude discriminator from B i -layers 2 of glass fiber transmits signals with an amplitude exceeding the threshold value A 0 , corresponding to the registration of neutrons in it, and does not pass signals, with amplitudes A <A 0 , corresponding to the registration of gamma quanta, (amplitude step n / γ - discrimination K n / γ ~ 10 3 ).

При регистрации быстрых нейтронов возникают коррелированные сигналы в любой из Ci-пластин 1 и Bi-слое 2 стекловолокна датчика-сцинтиблока с временным интервалом между ними до 200 мкс, а при коррелированной регистрации гамма-квантов сигналы возникают в рядом расположенных Ci-пластине 1 и Bi-слое 2 стекловолокна датчика-сцинтиблока с временным интервалом между ними 0,2 мкс. В предлагаемом устройстве это свойство используется для дискриминации коррелированной регистрации гамма-квантов во временном окне Δτлз~0,2 мкс путем исключения коррелированных сигналов схемой антисовпадения. Запуск схемы антисовпадения осуществляется от сигналов Bi-слоев 2 стекловолокна, поступающих с выхода амплитудного дискриминатора (фиг. 3).When registering fast neutrons, correlated signals appear in any of the C i- plates 1 and B i -layer 2 of the glass fiber of the scintiblock sensor with a time interval between them up to 200 μs, and during the correlated registration of gamma quanta signals appear in the adjacent C i- plate 1 and B i - layer 2 of glass fiber of the scintiblock sensor with a time interval of 0.2 μs between them. In the proposed device, this property is used to discriminate the correlated registration of gamma quanta in the time window Δτ lz ~ 0.2 μs by eliminating the correlated signals by the anti-coincidence circuit. The anti-coincidence circuit is triggered from the signals of B i -layers 2 of glass fiber coming from the output of the amplitude discriminator (Fig. 3).

Временная дискриминация гамма-квантов осуществляется схемой антисовпадения (фиг. 3) путем регистрации отсутствия факта совпадения во временном окне длительностью ΔτCAC~0,2 мкс сигнала с амплитудного дискриминатора (фиг. 3) и сигнала с Ci-пластины 1, задержанного линией задержки на время ΔτЛЗ~0,2 мкс (фиг. 3). Выбор длительности временного окна схемы антисовладения, которая на два порядка меньше временного интервала между коррелированными сигналами от Ci-пластины 1 и Bi-слоя 2 стекловолокна, возникающими при регистрации быстрого нейтрона, делает практически невозможным ложные исключения схемой антисовпадения сигналов от быстрых нейтронов, зарегистрированных этими слоями (фиг. 3).Time discrimination of gamma quanta is carried out by the anti-coincidence circuit (Fig. 3) by registering the absence of the fact of coincidence in the time window with a duration of Δτ CAC ~ 0.2 μs of the signal from the amplitude discriminator (Fig. 3) and the signal from C i -plate 1, delayed by the delay line for a time Δτ LZ ~ 0.2 μs (Fig. 3). The choice of the duration of the time window of the anti-co-ownership scheme, which is two orders of magnitude shorter than the time interval between the correlated signals from the C i plate 1 and the B i layer 2 of the glass fiber, arising during the registration of a fast neutron, makes it almost impossible for the anticoincidence scheme to make false exclusions of signals from fast neutrons recorded these layers (Fig. 3).

Отсюда следует, что применение амплитудной и временной дискриминации сигналов, соответствующих коррелированной и некоррелированной регистрации гамма-квантов в В-канале детектора (фиг. 3), при выполнении условий (1, 2) позволит увеличить коэффициент их дискриминации до величины Кγ>>103 без существенного снижения эффективности регистрации в нем нейтронов в широком энергетическом диапазоне (от тепловых до быстрых нейтронов).It follows that the use of amplitude and time discrimination of signals corresponding to correlated and uncorrelated registration of gamma quanta in the B-channel of the detector (Fig. 3), when conditions (1, 2) are met, will increase the coefficient of their discrimination to the value К γ >> 10 3 without a significant decrease in the efficiency of registration of neutrons in it in a wide energy range (from thermal to fast neutrons).

На предприятии был создан экспериментальный образец сцинтилляционного детектора нейтронов, содержащего датчик-сцинтиблок, собранный из 10 Ci-пластин 1 пластикового сцинтиллятора. С каждой стороны Ci-пластины 1 выполнено по 6 продольных канавок 4 глубиной 2,5 мм, шириной 1,1 мм. В продольные канавки 4 уложено переизлучающее волокно 3 фирмы Kuraray марки Y11(200) с диаметром волокна 1 мм. Пучок переизлучающих волокон 3, выходящий из каждой Ci-пластины 1, подсоединен к отдельному ФЭУ. Каждое переизлучающее волокно 3 уложено в две продольные канавки 4 с образованием петли с одного торца Ci-пластины 1. С другого торца Ci-пластины 1 концы переизлучающего волокна 3 собраны в пучок и подсоединены к фотоприемнику 6. Пучок переизлучающих волокон 3, выходящий из каждой Ci-пластины 1, подсоединен к отдельному фотоприемнику. Между Ci-пластинами 1 пластмассового сцинтиллятора в один Bi-слой 2 стекловолокна уложено нейтроночувствительное сцинтилляционное волокно из стекла с добавлением лития и активированного церием. Основными компонентами такого стекла являются (в атомных %): кремний (25,21), кислород (64,96) и литий, обогащенный изотопом 6Li (6Li-9,14; 7Li-0,69). Диаметр сцинтилляционного волокна составляет 150 мкм. Стекловолокно Bi-слой 2 уложено с образованием петли с одного торца Ci-пластины 1. С другого торца Ci-пластины 1 концы стекловолокон Bi-слоя 2 собраны в пучок и подсоединены к фотоприемнику 5. Каждый Bi-слой 2 стекловолокна подключен к отдельному фотоприемнику 5. В качестве фотоприемников 5 использованы ФЭУ85 и многопиксельные лавинные фотодиоды 6 фирмы SensL 60035. Толщина каждой Ci-пластины 1 составляет 5 мм, толщина каждого Bi-слоя 2-0,15 мм, что меньше средней длины пробега заряженных частиц и нейтронов в материале детектора.The enterprise has created an experimental sample of a scintillation neutron detector containing a scintiblock sensor assembled from 10 C i plates 1 of a plastic scintillator. On each side of the C i -plate 1, 6 longitudinal grooves 4 are made with a depth of 2.5 mm and a width of 1.1 mm. In the longitudinal grooves 4, re-emitting fiber 3 from the Kuraray brand Y11 (200) with a fiber diameter of 1 mm is placed. A bundle of re-emitting fibers 3 emerging from each C i -plate 1 is connected to a separate PMT. Each re-emitting fiber 3 is laid in two longitudinal grooves 4 with the formation of a loop at one end of the C i -plate 1. At the other end of the C i -plate 1, the ends of the re-emitting fiber 3 are collected in a bundle and connected to a photodetector 6. A bundle of re-emitting fibers 3 emerging from each C i -plate 1 is connected to a separate photodetector. Between the C i plates 1 of the plastic scintillator, a neutron-sensitive scintillation fiber made of glass doped with lithium and activated with cerium is laid in one B i -layer 2 of glass fiber. The main components of such glass are (in atomic%): silicon (25.21), oxygen (64.96) and lithium enriched with the 6 Li isotope ( 6 Li-9.14; 7 Li-0.69). The scintillation fiber diameter is 150 µm. Fiberglass B i -layer 2 is laid with the formation of a loop at one end of C i -plate 1. At the other end of C i -plate 1 ends of glass fibers B i -layer 2 are bundled and connected to a photodetector 5. Each B i -layer 2 of glass fibers connected to a separate photodetector 5. FEU85 and multipixel avalanche photodiodes 6 made by SensL 60035 are used as photodetectors 5. The thickness of each C i -plate 1 is 5 mm, the thickness of each B i- layer 2 is 0.15 mm, which is less than the average path length charged particles and neutrons in the detector material.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: в сцинтилляционном детекторе нейтронов, предназначенном для использования в системах обнаружения делящихся и ядерных материалов и измерения нейтронных потоков, обладает улучшенными по сравнению с прототипом эксплуатационными характеристиками и возможностями для проведения нейтронных измерений, что выражается в достижении более высокого уровня дискриминации фоновых гамма-квантов за счет применения дополнительной временной дискриминации соответствующих им коррелированных сигналов в слоях детектора при сохранении высокой эффективности регистрации нейтронного излучения.Thus, the above information testifies to the fulfillment of the following set of conditions when using the invention: in a scintillation neutron detector intended for use in systems for detecting fissile and nuclear materials and measuring neutron fluxes, it has improved operational characteristics and capabilities for conducting neutron measurements compared to the prototype, which is expressed in the achievement of a higher level of discrimination of background gamma quanta due to the use of additional time discrimination of the corresponding correlated signals in the layers of the detector while maintaining a high efficiency of registration of neutron radiation.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен сцинтилляционный детектор нейтронов с улучшенными характеристиками.For the claimed invention in the form as it is described in the claims, the possibility of its implementation using the above-described design solutions was confirmed, namely, a neutron scintillation detector with improved characteristics was obtained.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (1)

Сцинтилляционный детектор нейтронов, содержащий датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, со светоотражающим покрытием и продольными каналами по внешней боковой поверхности, и стеклянный сцинтиллятор на основе активированного церием 6Li-силикатного стекла для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, выполненный в виде стекловолокон, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора или фотоумножителя и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что датчик-сцинтиблок собран из чередующихся элементов, составленных из пластин, в виде которых выполнен пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов, с продольными каналами, выполненными на их боковых поверхностях, в которые уложены переизлучающие волокна, и отдельных слоев стекловолокна, в виде которых выполнен стеклянный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов и гамма-квантов, при этом к каждому чередующемуся элементу подключены отдельные фотоприемные устройства, а толщина чередующихся элементов выбрана при условии, что средняя длина пробега нейтронов и гамма-квантов больше суммарной толщины пластины и слоя стекловолокна.Scintillation neutron detector containing a scintiblock sensor, which includes a plastic scintillator for recording fast neutrons and gamma quanta, with a reflective coating and longitudinal channels along the outer side surface, and a glass scintillator based on cerium 6 activated Li-silicate glass for detecting thermal neutrons and gamma quanta, made in the form of glass fibers, a photodetector in the form of a photodiode recorder or photomultiplier, and an electronic signal processing unit, characterized in that the scintiblock sensor is assembled from alternating elements made up of plates, in the form of which a plastic scintillator is made to register fast neutrons and gamma quanta, with longitudinal channels made on their lateral surfaces, in which the re-emitting fibers are laid, and separate layers of glass fiber, in the form of which a glass scintillator is made for recording thermal neutrons and gamma quanta, with each alternating separate photodetectors are connected to the element, and the thickness of the alternating elements is chosen on the condition that the average path length of neutrons and gamma quanta is greater than the total thickness of the plate and the layer of glass fiber.
RU2020101542A 2020-01-14 2020-01-14 Neutron scintillation detector RU2730392C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020101542A RU2730392C1 (en) 2020-01-14 2020-01-14 Neutron scintillation detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020101542A RU2730392C1 (en) 2020-01-14 2020-01-14 Neutron scintillation detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730392C1 true RU2730392C1 (en) 2020-08-21

Family

ID=72237767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020101542A RU2730392C1 (en) 2020-01-14 2020-01-14 Neutron scintillation detector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730392C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU56003U1 (en) * 2006-03-06 2006-08-27 Российская Федерация в лице Федерального государственного унитарного предприятия "РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР-ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина") DETECTOR OF NEUTRONS AND GAMMA QUANTUM
RU2300782C2 (en) * 2005-08-08 2007-06-10 Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" Scintillation-based neutron detector
RU2484554C1 (en) * 2011-12-27 2013-06-10 Сергей Григорьевич Лазарев Method of detecting ionising radiation
US10209372B2 (en) * 2012-02-14 2019-02-19 American Science And Engineering, Inc. Hand-held X-ray detection system using wavelength-shifting fiber-coupled scintillation detectors

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2300782C2 (en) * 2005-08-08 2007-06-10 Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" Scintillation-based neutron detector
RU56003U1 (en) * 2006-03-06 2006-08-27 Российская Федерация в лице Федерального государственного унитарного предприятия "РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР-ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина") DETECTOR OF NEUTRONS AND GAMMA QUANTUM
RU2484554C1 (en) * 2011-12-27 2013-06-10 Сергей Григорьевич Лазарев Method of detecting ionising radiation
US10209372B2 (en) * 2012-02-14 2019-02-19 American Science And Engineering, Inc. Hand-held X-ray detection system using wavelength-shifting fiber-coupled scintillation detectors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9046613B2 (en) Radiation detector
AU2007267904B2 (en) Neutron and gamma ray monitor
US7804072B2 (en) Heterogeneous capture-gated neutron spectrometer
US9268044B2 (en) Neutron spectrometer
US20180172852A1 (en) Dual-Scintillator Neutron-Gamma Detector
RU2502088C2 (en) Apparatus and method for neutron detection by capture-gamma calorimetry
US10670739B2 (en) Gamma radiation and neutron radiation detector
RU2730392C1 (en) Neutron scintillation detector
WO2014188458A1 (en) Thermal-neutron detectors not making use of he-3, and method for their manufacturing
JPH09197050A (en) Radiation detector
JP2871523B2 (en) Radiation detector
RU2377598C2 (en) Scintillation detector
RU2308056C1 (en) Scintillation detector
RU2259573C1 (en) Scintillation detector for fast and thermal neutrons
RU2158011C2 (en) Neutron and gamma-ray recording detector
JP2012242369A (en) Radiation detector
RU189817U1 (en) PAIR GAMMA SPECTROMETER FOR REGISTRATION OF HIGH ENERGY GAMMA RADIATION
RU2371740C1 (en) Hodoscope
RU2366980C1 (en) Method for separation of signals of fast neutrons and gamma photons
RU56003U1 (en) DETECTOR OF NEUTRONS AND GAMMA QUANTUM
RU119131U1 (en) SCINTILLATION DETECTOR OF ELECTRONS AND BETA RADIATION
RU83624U1 (en) PRISMATIC SPECTROMETER
RU2272301C1 (en) Scintillating neutron detector
RU2088952C1 (en) Ionizing radiation detector
RU2373556C2 (en) Express detector