ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 33-37
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.16.08
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА НЕЙТРОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 1-15 МэВ
© 2014 г. Д. В. Постоварова, А. В. Евсенин, А. В. Кузнецов, О. И. Осетров,
Д. Н. Вахтин, П. Д. Юрманов
НПО "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" Россия, 194021, С.-Петербург, 2-ой Муринский просп., 28 E-mail: apl@khlopin.ru Поступила в редакцию 20.03.2013 г. После доработки 18.06.2013 г.
Описаны характеристики прототипа детектора нейтронов с энергией 1—15 МэВ, представляющего собой детектор полного поглощения и состоящего из чередующихся сцинтилляторов из пластика и стекла с примесью 6Ы. Попавший в детектор нейтрон теряет всю свою энергию в пластике, замедляется до тепловых энергий и регистрируется в литиевом стекле. Измеренное время полного замедления нейтрона составляет ~60 мкс. Регистрация в этом временном интервале двух сигналов — от первого акта рассеяния нейтрона в пластике до акта поглощения нейтрона литием в стекле — обеспечивает эффективное подавление фоновых тепловых нейтронов и у-квантов и, как следствие, детектирование малоинтенсивных источников нейтронов. Предлагаемая конструкция детектора дает возможность определения направления на источник нейтронов.
БО1: 10.7868/80032816214010315
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в мире развиваются новые методы досмотра коммерческих грузов с целью обнаружения в них незаконно перевозимых ядерных материалов (я.м.), которые могут быть использованы для создания самодельного ядерного взрывного устройства или в качестве компонента "грязной бомбы". Основным средством обнаружения я.м. являются радиационные порталы, регистрирующие собственное нейтронное или у-из-лучение я.м. Однако собственное у-излучение многих я.м. имеет низкую энергию, в значительной степени поглощается в окружающем веществе и не всегда может быть обнаружено в присутствии природного фона у-излучения. Собственное нейтронное излучение спонтанного деления я.м. является более надежным индикатором наличия я.м., так как природный нейтронный фон значительно ниже, чем фон у-квантов. Тем не менее, он может существенно ограничивать чувствительность метода [1, 2]. Поэтому одной из главных задач разрабатываемой детектирующей системы должна быть возможность отличать искомые нейтроны спонтанного или вынужденного деления от фоновых и зондирующих нейтронов. Измеряя энергию нейтронов и определяя направление на их источник, можно решить эту задачу.
В данной работе описан полностью смоделированный [3] и изготовленный прототип спектрометрического позиционно-чувствительного детектора для регистрации нейтронов и высоко-
энергичных у-квантов деления с эффективной режекцией фонового (п, у)-излучения. Заметим, что в описанном ниже детекторе не используется дефицитный 3Не, наиболее часто используемый для создания детекторов нейтронов.
ОПИСАНИЕ ДЕТЕКТОРА
Детектор представляет собой комбинацию двух детекторов: детектора тепловых нейтронов на основе стекла, допированного 6Ы, и сцинтил-ляционного детектора, служащего одновременно замедлителем нейтронов. При попадании в органический сцинтиллятор быстрый нейтрон в течение ~50 мкс теряет всю свою энергию в столкновениях с ядрами водорода и углерода, после чего с высокой вероятностью регистрируется детектором тепловых нейтронов (рис. 1). Амплитуда вспышек света, возникающих при энерговыделениях в сцинтилляторе в актах рассеяния нейтрона, измеряется фотоэлектронным умножителем (ф.э.у.). Поскольку детектор тепловых нейтронов регистрирует только нейтроны, оставившие в сцинтилляторе всю свою энергию, измеренная суммарная амплитуда всех сцинтилляций соответствует полной энергии нейтрона. Использование информации об энергии нейтронов позволяет в 5—10 раз подавить регистрацию нейтронов природного фона, энергетический спектр которых отличается от делительного. Это дает возможность существенно улучшить соотношение
3
33
34
ПОСТОВАРОВА и др.
Детектор тепловых нейтронов на основе 6Li
Медленные нейтроны
Тепловые нейтроны
у-квант
у-квант J 2
Быстрые нейтроны
4, 5
Сцинтиллятор
Рис. 1. Принцип действия спектрометрического детектора нейтронов. 1 — у-квант; 2 — нейтрон, теряющий часть энергии в сцинтилляторе и покидающий объем детектора; 3 — нейтрон с энергией меньше пороговой (0.5 МэВ) или у-квант; 4, 5 — нейтроны с энергиями, характерными для деления (0.5—5.0 МэВ), и более.
эффект/фон при регистрации нейтронов спонтанного или вынужденного деления я.м.
Конструкция детектора представлена на рис. 2. Он состоит из двух светоизолированных детекторов: внутреннего и внешнего. Внутренний детектор содержит четыре слоя пластиковых сцинтил-ляторов BC-408 (пластик) размером 75 х 75 х 25 мм и три слоя стекол, допированных 6Li (литиевое стекло), размером 75 х 75 х 1.3 мм (GS-20, производитель Saint-Gobain Crystals). Внутренний детектор просматривается с двух сторон двумя ф.э.у. PMT_1A и PMT_1B (Hamamatsu R4143).
Внешний детектор состоит из четырех пластиковых сцинтилляторов BC-408 размером 25 х 105 х х 125 мм, склеенных при помощи оптического клея ВС-600 таким образом, чтобы внутренний детектор помещался во внешнем. Внешний детектор просматривается с двух сторон двумя ф.э.у. диаметром 135 мм (Hamamatsu R4144).
Литиевые стекла и пластик внутреннего детектора просматриваются одновременно двумя ф.э.у. Сигналы с них различаются по длительности импульса: ~5—10 нс — с пластика и ~100—150 нс — с литиевого стекла.
Амплитуды сигналов с фотоумножителей и времена прихода сигналов записываются в отдельный файл для дальнейшей его обработки. Полученные данные анализируются следующим образом: при обнаружении события в литиевом стекле записываются все события в пластиковом сцинтилляторе, предшествующие событию в литиевом стекле в течение заданного временного интервала. Считается, что эти события соответствуют взаимодействию зарегистрированного нейтрона в пластике. Суммируя энерговыделения в этих событиях, получаем полную энергию зарегистрированного нейтрона.
Рис. 2. Модель геометрии детектора нейтронов. 1, 4 — входные стекла ф.э.у. внешнего детектора; 2, 5 — входные стекла сответственно ф.э.у. РМТ_1А и РМТ_1В внутреннего детектора; 3 — внешний детектор; 6 — три стекла, допированных 6Ц; 7 — четыре пластиковых сцинтиллятора внутреннего детектора.
ВРЕМЯ РЕГИСТРАЦИИ ДЕТЕКТОРОМ
НЕЙТРОНА ДЕЛИТЕЛЬНОГО СПЕКТРА
Для того чтобы получить информацию об энергии зарегистрированного быстрого нейтрона, обеспечивалась возможность отбора сигналов взаимодействия нейтрона в пластике, предшествующих регистрации этого нейтрона (после полного замедления) в литиевом стекле.
Испытания нейтронного детектора проводились с источником нейтронов и у-излучения 252С. Источник помещался на расстоянии 1.5 м от центра детектора.
На рис. 3 представлены экспериментально измеренное и рассчитанное распределения времени между событиями в пластике (быстрый нейтрон) и последующей регистрацией этого же, но уже полностью замедленного нейтрона в литиевом стекле. Анализ рис. 3 позволяет сделать вывод, что максимальное время, необходимое для полного замедления нейтрона делительного спектра во внутреннем детекторе, составляет ~70 мкс. В дальнейших экспериментах данные анализировались в этом окне (70 мкс).
ПОЗИЦИОННАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Конструкция детектора позволяет определять направление на нейтронный источник (на основе анализа координаты), используя чувствительность внутреннего детектора к положению взаимодействия быстрого нейтрона в пластиковых сцинтил-ляторах относительно фотокатодов ф.э.у.
С использованием библиотеки ОеаП;4 было проведено моделирование светосбора во внут-
4
3
2
3
J
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА НЕЙТРОНОВ
35
Скорость счета 100
VI
10—
10—
Расчет MCNP Эксперимент
0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 Время, 103 нс
Доля фотонов, достигших ф.э.у., %
70 г
60 50 40 30 20
-60 -40 -20 0 20 40 60 Координата источника света, мм
Рис. 3. Экспериментальное и расчетное (МОКР) распределения по длительности временного интервала между взаимодействиями быстрого нейтрона в пластике и последующей регистрацией этого же, но уже полностью замедлившегося нейтрона в литиевом стекле.
реннем детекторе. При моделировании источник света перемещался вдоль оси внутреннего детектора и записывалось число фотонов, достигших входных стекол фотоумножителей. Полученные данные приведены на рис. 4.
Анализ рисунка показывает, что сравнение амплитуд сигналов с двух ф.э.у. внутреннего детектора позволяет определить, в какой из частей детектора произошла сцинтилляция.
Так как длина свободного пробега нейтрона делительного спектра в пластике составляет ~2—5 см, то первое взаимодействие нейтрона в пластиковом сцинтилляторе внутреннего детектора с наибольшей вероятностью происходит в первой половине внутреннего детектора (эти данные также подтверждаются моделированием [3]). События, когда быстрый нейтрон сначала пролетает весь детектор, а затем взаимодействует в пластиковом сцинтилляторе вблизи дальней стенки детектора, менее вероятны.
При измерении угловой чувствительности детектора источник нейтронов 252СГ помещался на расстоянии 150 см от центра внутреннего детектора, который вращался вокруг оси внешнего детектора с шагом 15°, время измерения на каждом шаге составляло 200 с.
Данные анализировались следующим образом. При обнаружении события в литиевом стекле записывались все события в пластиковом сцин-тилляторе, предшествующие событию в литиевом стекле в течение интервала времени 70 мкс, и определялась координата первого события в пластике. Порог регистрации нейтрона составлял 50 кэВ. Для нейтронов с энергиями от 50 кэВ до 5 МэВ время пролета через весь детектор составляло примерно
Рис. 4. Зависимости доли фотонов, достигших входных стекол фотоумножителей РМТ_1А и РМТ_1В, от координаты источника света во внутреннем детекторе.
от 30 до 3 нс соответственно. Это означает, что время между последовательными актами рассеяния невелико и сигналы с пластика формируют цепь событий, которые очень близки по времени. В большинстве случаев два последовательных взаимодействия быстрого нейтрона в пластиковом сцинтил
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.