RU2792980C1

RU2792980C1 - Radiochemical method for proton flow monitoring

Info

Publication number: RU2792980C1
Application number: RU2022128397A
Authority: RU
Inventors: Сергей Григорьевич Лебедев
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-03-28

Abstract

FIELD: measuring means.

SUBSTANCE: means for measuring intense proton streams; experimental zones of proton accelerators; proton therapy for oncological diseases; proton radiography; diagnostics in the active zones of thermonuclear reactors. In the radiochemical method for monitoring the proton stream, the active substance in the form of a colourless liquid of halohexane of group 17 elements, halogens G with the structure of C₆H₁₃G: fluorohexane, chlorhexane, bromhexane, iodohexane, is irradiated with a proton stream. The resulting gaseous radioactive products of nuclear reactions, which are inert gases, are isolated from the active substance and their decays are recorded. The isotope of fluorine ¹⁹F, chlorine isotope ³⁷Cl, bromine isotope ⁷⁹Br, iodine isotope ¹²⁷I are used as halogen. As a radioactive inert gas, radioactive isotopes ¹⁹Ne, ³⁷Ar, ⁷⁹Kr, ⁷⁷Kr, ⁷⁶Kr, ¹²⁷Xe, ¹²⁵Xe, ¹²³Xe, ¹²²Xe, ¹²¹Xe are formed in threshold nuclear reactions. The release of gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance occurs due to diffusion. The rate of transfer of the released radioactive inert gas to the place of registration of its decays is chosen from the condition that the time before the start of registration of decays of the radioactive inert gas was less than the half-life of the radioactive inert gas.

EFFECT: simplification of the method, increasing its efficiency, providing the possibility of selective real-time monitoring of protons with different energies.

1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при измерении интенсивных потоков протонов, в частности в экспериментальных зонах протонных ускорителей, при протонной терапии онкологических заболеваний, протонной радиографии, а также при диагностике в активных зонах термоядерных реакторов.The invention relates to nuclear physics and can be used in measuring intense proton fluxes, in particular in the experimental zones of proton accelerators, in proton therapy for oncological diseases, proton radiography, and also in diagnostics in the active zones of thermonuclear reactors.

Известен способ измерения нейтронных потоков, основанный на позиционно-чувствительных детекторах, когда протонные потоки определяются по электрическому заряду, созданному протонным треком в матрице детекторов [патент США US 10,617,889, 2020]. Недостатком такого способа является высокая фоновая загрузка матрицы детектора из-за различных помех.There is a known method for measuring neutron fluxes based on position-sensitive detectors, when proton fluxes are determined by the electric charge created by the proton track in the detector array [US patent US 10,617,889, 2020]. The disadvantage of this method is the high background load of the detector matrix due to various interferences.

Наиболее близким по своей технической сущности является радиохимический способ мониторирования потока быстрых нейтронов, включающий облучение активного вещества потоком быстрых нейтронов, образование газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами активного вещества, выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества и последующую регистрацию распадов газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций, количество которых пропорционально величине потока нейтронов, причем газообразный радиоактивный продукт ядерных реакций является инертным газом [M. Cribier at al. Radiochemical measurement of fast neutrons using a Ca(HO₃)₂ aqueous solution. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. Volume 365, Issues 2-3, 1995, p. 533-541 /2/]. Недостатками такого способа являются использование водного раствора в качестве активного вещества, ядра которого участвуют в реакциях с нейтронами, что приводит к трудностям выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества, наличию фоновых взаимодействий нейтронов с ядрами водорода, необходимость устранения паров воды, наличие этапов сжижения и очистки радиоактивного инертного газа, и как следствие, низкая эффективность способа и невозможность его использования в реальном масштабе времени для мониторирования потока нейтронов. Отсутствует также избирательность по энергии при мониторировании.The closest in its technical essence is a radiochemical method for monitoring the flux of fast neutrons, including irradiation of the active substance with a flux of fast neutrons, the formation of gaseous radioactive products of nuclear reactions as a result of nuclear reactions of neutrons with the nuclei of the active substance, the release of gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance and subsequent registration decays of gaseous radioactive products of nuclear reactions, the number of which is proportional to the magnitude of the neutron flux, and the gaseous radioactive product of nuclear reactions is an inert gas [M. Cribier at al. Radiochemical measurement of fast neutrons using a Ca(HO ₃ ) ₂ aqueous solution. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. Volume 365, Issues 2-3, 1995, p. 533-541 /2/]. The disadvantages of this method are the use of an aqueous solution as an active substance, the nuclei of which participate in reactions with neutrons, which leads to difficulties in separating gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance, the presence of background interactions of neutrons with hydrogen nuclei, the need to eliminate water vapor, the presence of liquefaction stages. and purification of radioactive inert gas, and as a result, the low efficiency of the method and the inability to use it in real time to monitor the neutron flux. There is also no energy selectivity during monitoring.

Заявляемый в качестве изобретения радиохимический способ мониторирования потока протонов направлен на обеспечение упрощения способа, повышения его эффективности и обеспечение его использования в режиме реального времени с возможностью избирательного мониторирования протонов с разными энергиями (см. табл. 1).The radiochemical method of monitoring the proton flux claimed as an invention is aimed at providing a simplification of the method, increasing its efficiency and ensuring its use in real time with the possibility of selective monitoring of protons with different energies (see Table 1).

Данный технический результат достигается тем, что радиохимический способ мониторирования потока протонов, включающий облучение активного вещества потоком быстрых протонов, образование газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами активного вещества, выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества и последующую регистрацию распадов газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций, количество которых пропорционально величине потока протонов, причем газообразный радиоактивный продукт ядерных реакций является инертным газом, заключается в том, что активное вещество в виде бесцветной жидкости гексана элементов 17 группы - галогенов G со структурой C₆H₁₃G облучают потоком протонов. Образовавшиеся газообразные радиоактивные продукты ядерных реакций, являющиеся инертными газами, выделяют из активного вещества и регистрируют их распады. В качестве галогена используют изотоп фтора ¹⁹F, изотоп хлора ³⁷Cl, изотоп брома ⁷⁹Br, изотоп йода ¹²⁷I. В качестве радиоактивного инертного газа в пороговых ядерных реакциях образуются радиоактивные изотопы ¹⁹Ne, ³⁷Ar, ⁷⁹Kr, ⁷⁷Kr, ⁷⁶Kr, ¹²⁷Хе, ¹²⁵Хе, ¹²³Хе, ¹²²Хе, ¹²¹Хе. Выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества происходит за счет диффузии. Скорость переноса выделившегося радиоактивного инертного газа до места регистрации его распадов выбирают из условия, чтобы время до начала регистрации распадов радиоактивного инертного газа было меньше периода полураспада радиоактивного инертного газа. На фиг. 1 приведена схема системы мониторирования потока протонов согласно способу, где: 1 - ампула с жидкостью галоген-гексан, Не - поток гелия, Р - поток протонов, 2 - газовая смесь гелия с радиоактивным газом ³⁷Ar, 3 - геттер, 4 - очистка гелия, 5 - газоразрядный счетчик, 6 - полупроводниковый детектор, 7 - система сбора и обработки информации. Реализация указанного радиохимического способа мониторирования потока быстрых протонов заключается в следующем: жидкость галоген-гексан заливается в ампулу и помещается в зону с потоком протонов. Под действием протонов в активном веществе галоген-гексана происходят ядерные реакции, продуктом которых является радиоактивный инертный газ, который под действием продувки гелием выходит из жидкости галоген-гексана в промежуточный объем. Смесь гелия и образовавшегося радиоактивного инертного газа после очистки от посторонних примесей в геттере поступает либо в газоразрядный счетчик, либо на полупроводниковый детектор, где производится регистрация распадов радиоактивного газа. Выбор детектора распадов производится в зависимости от моды распада образовавшегося радиоактивного газа (см. табл. 1). Если основная мода распада электронный захват или β⁺, то регистрация проводится в газоразрядном счетчике, если же мода распада - γ кванты, то регистрация производится полупроводниковым детектором.This technical result is achieved by the fact that the radiochemical method for monitoring the flow of protons, including irradiation of the active substance with a flow of fast protons, the formation of gaseous radioactive products of nuclear reactions as a result of nuclear reactions of neutrons with the nuclei of the active substance, the release of gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance and the subsequent registration of decays gaseous radioactive products of nuclear reactions, the number of which is proportional to the magnitude of the proton flux, and the gaseous radioactive product of nuclear reactions is an inert gas, lies in the fact that the active substance in the form of a colorless liquid of hexane of group 17 elements - halogens G with the structure C ₆ H ₁₃ G is irradiated with a stream protons. The resulting gaseous radioactive products of nuclear reactions, which are inert gases, are isolated from the active substance and their decays are recorded. The isotope of fluorine ¹⁹ F, the isotope of chlorine ³⁷ Cl, the isotope of bromine ⁷⁹ Br, the isotope of iodine ¹²⁷ I are used as a halogen. As a radioactive inert gas, radioactive isotopes ¹⁹ Ne, ³⁷ Ar, ⁷⁹ Kr, ⁷⁷ Kr, ⁷⁶ Kr are formed in threshold nuclear reactions. , ¹²⁷ He, ¹²⁵ He, ¹²³ He, ¹²² He, ¹²¹ He. The release of gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance occurs due to diffusion. The rate of transfer of the released radioactive inert gas to the place of registration of its decays is chosen from the condition that the time before the start of registration of decays of the radioactive inert gas was less than the half-life of the radioactive inert gas. In FIG. 1 shows a diagram of the system for monitoring the proton flux according to the method, where: 1 - ampoule with liquid halogen-hexane, He - helium flow, P - proton flow, 2 - gas mixture of helium with radioactive gas ³⁷ Ar, 3 - getter, 4 - helium purification , 5 - gas-discharge counter, 6 - semiconductor detector, 7 - information collection and processing system. Implementation of the specified radiochemical method for monitoring the flow of fast protons is as follows: the halogen-hexane liquid is poured into an ampoule and placed in a zone with a proton flow. Under the action of protons in the active substance of halogen-hexane, nuclear reactions occur, the product of which is a radioactive inert gas, which, under the action of helium purge, exits the halogen-hexane liquid into an intermediate volume. The mixture of helium and the resulting radioactive inert gas, after being purified from foreign impurities in the getter, enters either a gas-discharge counter or a semiconductor detector, where radioactive gas decays are recorded. The choice of a decay detector is made depending on the mode of decay of the resulting radioactive gas (see Table 1). If the main decay mode is electronic capture or β ⁺ , then registration is carried out in a gas-discharge counter, but if the decay mode is γ quanta, then registration is performed by a semiconductor detector.

В стационарном режиме облучения ампулы (при постоянном потоке протонов Φ и постоянном расходе L газа носителя) вся вновь образовавшаяся активность сверх равновесной удаляется из объема V_a ампулы током транспортного газа. Поэтому скорость счета N_c распадов радиоактивных атомов в детектирующей системе пропорциональна величине протонного потока Ф и связана с ним соотношением:In the stationary regime of ampoule irradiation (with a constant proton flux Φ and a constant flow rate L of the carrier gas), all newly formed activity above equilibrium is removed from the volume V _a of the ampoule by the current of the transport gas. Therefore, the count rate N _c of the decays of radioactive atoms in the detecting system is proportional to the value of the proton flux Ф and is related to it by the relation:

где V_c - объем детектирующей системы (см³), N₀ - число атомов активного вещества в ампуле, λ=2π/Т_1/2 - постоянная распада инертного радиоактивного газа (сек^-1), T_1/2 - период полураспада радиоактивного инертного газа в сек, σ - усредненное по спектру протонов сечение ядерной реакции образования радиоактивного инертного газа (см²), Φ - поток протонов (протон/см²/сек), L - расход транспортного газа (см³/сек).where V _c is the volume of the detecting system (cm ³ ), N ₀ is the number of atoms of the active substance in the ampoule, λ=2π/T _1/2 is the decay constant of the inert radioactive gas (sec ^-1 ), T _1/2 is the half-life of the radioactive inert gas per second, σ is the cross section of the nuclear reaction of the formation of radioactive inert gas (cm ² ), Φ is the proton flux (proton / cm ² / sec), L is the transport gas flow rate (cm ³ / sec) averaged over the proton spectrum.

Выражение (1) применимо при V_a/L<<T_1/2, где Т_1/2 - период полураспада радиоактивного инертного газа в сек.Expression (1) is applicable when V _a /L<<T _1/2 , where T _1/2 is the half-life of a radioactive inert gas in sec.

Для того чтобы радиоактивный инертный газ в процессе его выхода из активного вещества и переноса его транспортным газом не распался в пути до системы регистрации, должно также выполняться условие:In order for the radioactive inert gas not to decay on its way to the registration system during its release from the active substance and its transfer by the transport gas, the following condition must also be satisfied:

где t_выхода - среднее время выхода радиоактивного инертного газа из активного вещества после образования в результате ядерных реакций под действием протонов, a t_b _пути - время транспортировки радиоактивного инертного газа из зоны облучения до детектирующей системы.where t _exit is the average time for the release of radioactive inert gas from the active substance after formation as a result of nuclear reactions under the action of protons, at _b _paths is the time of transportation of radioactive inert gas from the irradiation zone to the detecting system.

Использование в качестве активного вещества согласно способу смеси жидкостей активных веществ с разным изотопным составом позволяет обеспечить при мониторировании потока протонов также и спектрометрию протонов с учетом порогов реакций и периода полураспада газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций (см. табл. 1).The use of a mixture of liquids of active substances with different isotopic compositions as an active substance according to the method makes it possible, when monitoring the proton flux, to also provide proton spectrometry, taking into account the reaction thresholds and the half-life of gaseous radioactive products of nuclear reactions (see Table 1).

Claims

Radiochemical method for monitoring the proton flux, including irradiation of the active substance with a proton flux, the formation of gaseous radioactive products of nuclear reactions as a result of nuclear reactions of protons with the nuclei of the active substance, the release of gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance and the subsequent registration of decays of gaseous radioactive products of nuclear reactions, the number of which is proportional to the proton flux, and the gaseous radioactive product of nuclear reactions is an inert gas, characterized in that colorless liquids of halohexane of group 17 elements - halogens G with the structure C ₆ H ₁₃ G are used as the active substance: fluorohexane, chlorhexane, bromhexane, iodohexane are irradiated with a stream protons, and the isotope of fluorine ¹⁹ F, chlorine isotope ³⁷ Cl, bromine isotope ⁷⁹ Br, iodine isotope ¹²⁷ I are used as halogen, while radioactive isotopes ¹⁹ Ne, ³⁷ Ar, ⁷⁹ Kr are formed as a radioactive inert gas in threshold nuclear reactions, ⁷⁷ Kr, ⁷⁶ Kr, ¹²⁷ Xe, ¹²⁵ Xe, ¹²³ Xe, ¹²² Xe, ¹²¹ Xe, and the release of gaseous radioactive products of nuclear reactions from the active substance occurs due to diffusion, and the rate of transfer of the released radioactive inert gas to the place of registration of its decays is selected from conditions so that the time before the start of registration of decays of radioactive inert gas was less than the half-life of radioactive inert gas, while the choice of the detector of decays is made depending on the mode of decay of the formed radioactive gas.