ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 2, с. 122-132
_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _
--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -
УДК 539.17
ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТЕКТИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ НАНОСЕКУНДНОГО МЕТОДА МЕЧЕНЫХ
НЕЙТРОНОВ
© 2009 г. К. А. Балыгин, М. Д. Каретников, А. И. Климов, К. Н. Козлов, Е. А. Мелешко, И. Е. Осташев, Г. В. Яковлев
РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Курчатова, 1 Поступила в редакцию 17.06.2008 г.
Создана детектирующая аппаратура для метода меченых нейтронов и исследованы ее характеристики. Изложены принципы компоновки и функционирования регистрирующей электроники, основанной на отборе полезных событий по заданным критериям и накоплении данных блоком буферной памяти с последующей передачей массивов данных в удаленный компьютер для обработки и визуализации. Основным критерием отбора является наличие сигналов от а- и у-детекторов в заданном временном и амплитудном диапазоне при отсутствии наложенных событий. Для тестирования разработанной аппаратуры создан макет установки и проведены эксперименты по исследованию ее характеристик. Временное разрешение, достигнутое при регистрации а-у-совпадений, составляет 1.0 ± 0.1 нс при амплитудном разрешении у-детектора 3.6-3.8%.
РДСБ: 29.40.Mc, 29.85.Ca
ВВЕДЕНИЕ
Нейтронные методы контроля уже на протяжении нескольких десятилетий используют для задач, связанных с элементным анализом органических материалов, в частности для обнаружения взрывчатых веществ [1]. При зондировании объекта исследования нейтронами в результате реакций радиационного захвата или неупругого рассеяния нейтронов возникает у-излучение дискретной энергии (информационное у-излучение), регистрируемое одним или несколькими у-детек-торами. Спектральный состав у-излучения дает количественную информацию о наличии в объекте основных химических элементов - водорода, азота, кислорода и углерода, входящих в состав органических веществ.
Одна из главных проблем использования нейтронных методов состоит в высоком уровне фоновой загрузки у-детектора при регистрации информационного излучения. Источником фона могут быть у-кванты, испускаемые при взаимодействии нейтронов с элементами установки или окружающими предметами, распаде образующихся изотопов и т.д. В последнее время быстро развивается наносекундный метод меченых нейтронов, позволяющий за счет пространственной и временной селекции событий существенно снизить уровень регистрируемого фонового излучения [2, 3].
Типичная схема устройства с мечеными нейтронами представлена на рис. 1. Ионный источ-
ник нейтронного генератора создает пучок дейтронов с энергией 60-120 кэВ, падающий на три-тиевую мишень. В реакции взаимодействия дейтерия с тритием Т(й, п)4Не образуются быстрые нейтроны и а-частицы (4Не), причем начальные энергии и векторы направления движения нейтрона и а-частицы однозначно связаны (см. рис. 2, где представлены значения энергии нейтрона и а-частицы, а также угол испускания нейтрона в зависимости от угла вылета сопутствующей а-частицы в реакции Т(й, п)4Не при энергии дейтрона 100 кэВ).
Позиционно-чувствительный (многопиксельный) а-детектор фиксирует координаты Яа сработавшего пиксела и время регистрации а-частиц 1а, что позволяет, вводя поправку на скорость а-частицы (~1.3 см/нс), определять время вылета и направление ее движения (вектор). По этим данным можно оценить время вылета, направление движения и энергию (скорость) нейтрона (рис. 2) в направлении исследуемого объекта, т.е. "пометить" нейтрон сопутствующей зарегистрированной а-частицей.
Расстояние Ь от мишени нейтронного генератора до места испускания у-кванта в результате неупругого рассеяния меченого нейтрона в исследуемом объекте можно определить путем измерения интервала Ах между временами регистрации у-кванта и сопутствующей меченому нейтрону а-частицы. Величина Ат зависит также от
Позиционно-
Нейтронный генератор
Исследуемый
Рис. 1. Схема устройства с мечеными нейтронами.
Угол вылета нейтрона, град
Энергия частицы, МэВ
120 110 100 90 80 70 60
(а)
15
14
13.
50 60 70 80 90 100 110 120 Угол вылета а-частицы, град
(б)
Нейтрон
а-частица
3
50 60 70 80 90 100 110 120 Угол вылета а-частицы, град
Рис. 2. Зависимости угла испускания нейтрона (а) и энергии нейтрона и а-частицы (б) от угла вылета а-частицы при энергии дейтрона 100 кэВ.
4
времени задержки тр в системе регистрации, определяемой временем пролета электронов в фотоэлектронном умножителе (ф.э.у.) у-детекто-ра, прохождением сигналов по кабелю, формированием и обработкой сигнала электронными устройствами. Поскольку точный расчет величины тр достаточно сложен, обычно ее определяют экспериментально путем калибровки по времени (см. ниже).
Таким образом, зная расстояние Ь и вектор движения меченого нейтрона относительно нейтронного генератора, можно определить пространственные координаты точки испускания у-кванта при неупругом рассеянии меченого нейтрона в исследуемом объекте. Энергия у-кванта несет информацию о ядре-рассеивателе. Характерные спектры у-излучения (в виде энергии у-квантов, поглощенной в сцинтилляторе у-детек-
100 80 60 40 20
я гл
и 0 X
о 100
со
80 60 -40 20 0
1234567 1234567
Е, МэВ
Рис. 3. Спектр поглощенной энергии у-квантов при неупругом рассеянии 14 МэВ нейтронов в углероде (а), азоте (б), кислороде (в) и железе (г).
тора) представлены на рис. 3. Видно, что энергия у-излучения при неупругом рассеянии нейтронов на ядрах азота, кислорода и углерода (рис. 3а-3в) имеет четкие сигнатурные признаки и существенно превосходит энергию у-квантов, испускаемых при рассеянии нейтронов на ядрах других элементов, например железа (рис. 3г).
Информация о событии (одновременной регистрации а-частицы и у-кванта в узком временном окне) обрабатывается и записывается в виде кода, содержащего данные об интервале времени Дт а-у-совпадения, координате пиксела а-детекто-ра, номере (координате) у-детектора и амплитуде импульса с у-детектора. Совокупность событий позволяет при использовании соответствующих алгоритмов обработки информации определить объемное распределение химических элементов в объекте исследования.
Важной особенностью метода меченых нейтронов является то, что сигналы от "некоррелируемого" фона, обусловленного регистрацией у-квантов, испускаемых при радиоактивном распаде, при взаимодействии с веществом "немеченых" нейтронов или при попадании быстрых нейтронов на у-детектор в большинстве случаев не сопровождаются сопутствующей а-частицей и
при регистрации а-у-совпадений не фиксируются как события. Это позволяет эффективно дискриминировать фоновые сигналы и увеличить отношение эффект/фон в некоторых случаях на 2-4 порядка [2, 3].
РЕГИСТРИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ МЕТОДА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНОВ
Детекторы а- и у-излучения и регистрирующая аппаратура для устройств с мечеными нейтронами должны обеспечивать малое временное разрешение (~1-2 нс). Кроме того, детекторы должны иметь малое время сбора заряда во избежание наложения импульсов при больших загрузках. Практическое применение получили полупроводниковые (кремниевые) и сцинтилляцион-ные а-детекторы и у-детекторы на основе тяжелых неорганических сцинтилляторов {N01(11), БаБ2, БвО, ЬУБО).
Достигнутая к настоящему времени предельная интенсивность нейтронных генераторов составляет 108 с-1. При этом суммарный поток а-частиц на все пикселы а-детектора превышает 106 с-1, а полная интенсивность сигналов с у-детекторов может быть выше 104-105 с-1.
а-детектор !
Ы:
Блок а-каналов
ФСП
I A^i-ПУ - ФСП
лк :
ПК
ФСП
или,
АРа
OB,
AC
OBb
Д-6
Блок у-каналов 1
ФСП, СС OB СС OB
или
1~Лз~~1
Стоп yf Старт
ВАП -ч-
АЦПi
АР,
.->-[фсп6ысс|
■L
OB
ФУ
ацп2
Микроконтроллер ;
г.- USB-интерфейс
Шина управления у-канала
Блок у-каналов N
Микроконтроллер
Шина синхронизации а-канала
Шина адреса а-канала Шина управления а-канала
Рис. 4. Блок-схема многоканального амплитудно-временного регистратора.
С
г
В настоящее время используются два подхода к решению проблемы обработки информации от устройств на основе метода меченых нейтронов: 1) предварительная селекция импульсов аппаратными средствами в режиме on-line и передача в э.в.м. только полезных событий [2, 4]; 2) полная оцифровка сигналов со всех детекторов и передача потока данных в компьютер для последующей обработки [5]. В данной работе использовался первый подход, основанный на отборе полезных событий по заданным критериям и накоплении данных блоком буферной памяти с последующей передачей массивов данных в удаленный компьютер для обработки и визуализации. Основным критерием отбора является наличие сигналов от а- и у-детекторов в заданном временном и амплитудном диапазоне при отсутствии наложенных событий. Такой подход позволяет значительно упростить интерфейс передачи данных и требования к э.в.м., а также снизить энергопотребление.
Данные принципы были заложены в специализированной аппаратуре серии м.а.в.р. (многоканальный амплитудно-временной регистратор) для метода меченых нейтронов, разработанной в РНЦ "Курчатовский институт". Блок-схема м.а.в.р. представлена на рис. 4. Сигналы с а-детектора усиливаются предусилителями ПУ и поступают на входы а-каналов. Формирователь со следящим по-
рогом ФСП на входе каждого а-канала выдает временную отметку момента регистрации Та и код номера сработавшего а-канала. Эти сигналы передаются на смеситель ИЛИ1 и адресный регистр а-каналов АРа.
Одновибратор ОВ1 на выходе смесителя вырабатывает импульс длительностью, равной интервалу слежения. Этот импульс подается в модуль у-каналов, где через схему антисовпадений АС поступает на входы схем совпадений СС, на вторые входы которых подаются импульсы временной отметки Ту, вырабатываемые формирователями ФСП1-ФСП6 у-каналов. Сигналы на входы последних поступают от у-детекторов Ду1-Дт6. Если сигналы у-детектора попадают в интервал слежения, схема совпадений этого у-канала срабатывает и запускает одновибратор ОВ, формирующий импульс длительностью, соответствующей времени полного сбора заряда с у-детектора, которое определяется типом сцинтиллятора.
Этот импульс отпирает соответству
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.