ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 31-45
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.1.074.3
ЦИФРОВАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕЙТРОНОВ И у-КВАНТОВ ПО ФОРМЕ ИМПУЛЬСА ПРИ ВЫСОКОЙ ЗАГРУЗКЕ ДЕТЕКТОРА И НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ РЕГИСТРИРУЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2007 г. М. В. Прокуронов, А. Н. Шабалин
НИИ импульсной техники Россия, 115409, Москва, Луганская ул., 9 Поступила в редакцию 18.07.2006 г.
Рассматривается использование цифрового метода идентификации нейтронов и у-квантов по форме импульса при загрузке детектора до ~106 импульсов/с в энергетическом диапазоне ~2-800 кэВ. Импульсы сцинтилляционного детектора на основе стильбена, полученные при регистрации нейтронов и у-квантов, преобразуются осциллографом в цифровую форму, после чего информация передается в компьютер для идентификации типа частицы. Идентификация проводилась при регистрации излучения импульсного нейтронного генератора, работающего в частотном режиме, и радиоизотопных источников. Были измерены амплитудные спектры импульсов, идентифицированных как нейтроны и как у-кванты излучения генератора. При загрузке детектора ~ 8.5 ■ 105 импульсов/с идентифицировано как нейтроны ~90% зарегистрированных импульсов. В энергетическом диапазоне ~30-800 кэВ коэффициент блокировки у-квантов составил ~104-103 при загрузке ~1.5 ■ 105-5 ■ 105 импульсов/с, а эффективность идентификации нейтронов превысила 0.9. Для энергии ~10 кэВ значения коэффициента блокировки у-квантов и эффективности идентификации нейтронов составили соответственно ~300 и ~0.75.
PACS: 07.05.Wr, 29.40.Mc, 29.30.Hs
ВВЕДЕНИЕ
Идентификация частиц по форме сцинтилляционного импульса, основанная на различии формы импульсов, полученных при регистрации частиц с различной удельной плотностью ионизации в определенных сцинтилляторах, - известный метод, активно используемый в экспериментальной физике. В ряде задач идентификация нейтронов и у-квантов происходит при высокой, быстро меняющейся интенсивности регистрируемого излучения в широком энергетическом диапазоне. Для аналоговых схем идентификации характерно уменьшение коэффициента блокировки фонового у-излучения при увеличении входной загрузки детектора. Поэтому в условиях высоких загрузок детектора и низкой энергии регистрируемого излучения представляется целесообразным перейти от аналоговых методов идентификации к цифровым, позволяющим работать при больших загрузках [1-3].
В данной статье описан цифровой метод идентификации частиц по форме импульса при регистрации «-у-излучения в энергетическом диапазоне ~2-800 кэВ при загрузках детектора до ~106 импульсов/с. Метод используется при регистрации «-у-излучения импульсного нейтронного генератора, работающего в частотном режиме.
Современные быстродействующие аналого-цифровые преобразователи (а.ц.п.), цифровые
осциллографы в сочетании с программируемыми логическими интегральными схемами и вычислительными комплексами позволяют реализовать метод цифровой идентификации частиц по форме импульса. При помощи а.ц.п. токовый импульс, возникающий в анодной цепи фотоумножителя (ф.э.у.) при регистрации сцинтилляций, преобразуется в цифровую форму. Затем полученный цифровой массив подвергается определенной процедуре идентификации.
В детекторах, предназначенных для регистрации и идентификации нейтронов и у-квантов, используются жидкие сцинтилляторы и стильбен. Для сцинтилляций стильбена характерно быстрое время нарастания (~1 нс), а их спад характеризуется наличием быстрой (т1 ~ 5 нс) и медленной (т2 ~ 300 нс) компонент. Времена нарастания и спада примерно одинаковы для протонов отдачи от нейтронов и комптоновских электронов от у-квантов. Однако из-за зависимости световыхода от плотности ионизации соотношение между амплитудами быстрой и медленной компонент совершенно различно: ~80-85% для быстрой и ~15-20% для медленной компонент в случае электронов и ~60-65% для быстрой и ~35-40% для медленной компонент для протонов [1].
Пусть qx(t), где х = «, у, есть нормированные на равный полный заряд с ф.э.у. временные зависимости заряда с ф.э.у. для нейтронов и у-квантов
соответственно. Тогда, согласно сказанному выше, временная зависимость относительной разности p(t) = (qn(t) - qy(t))/(qn(t) + qy(t)) имеет характерный вид: p(t) < 0 в области быстрой компоненты импульса и p(t) > 0 в области медленной компоненты импульса, а среднее значение разностного
эффекта Sx = Jp (t)qx(t)dt, где x = n, у, будет чувствительно к типу частицы. На основании этих рассуждений и строится цифровой метод оптимального фильтра n-y-идентификации [4]. Этот метод обладает наивысшими характеристиками среди линейных методов идентификации. В этом методе [4] зарегистрированной частице (у-кванту и нейтрону) сопоставляется нормально распределенная случайная величина S(Sy и Sn), равная:
S = X pq»
(i)
i = 1
(2)
poi = (qiY - qn)/(qt y + qJ,
(3)
ин-
где qil, qin - средние значения величин qjy, qil тервале Ati. Коэффициенты ры определяют максимальные значения коэффициента блокировки фона у-квантов и эффективности идентификации нейтронов, соответствующие минимуму критерия К1.
Помимо критерия К1, можно сформулировать также другие условия экстремума. Задавая минимальное значение эффективности идентификации
— 2
нейтронов, что эквивалентно неравенству ОЗп/8п < < а (а - значение относительной дисперсии величины Sn, соответствующее заданной эффективности идентификации нейтронов), находим значения ри, соответствующие максимальному коэффициенту блокировки, из условия минимума относительной дисперсии К2(р) [1]:
— 2
K2 = DSy /SY
DSn / S2n < a,
при ограничении
Sy< 0, Sn > 0.
(4)
Относительные дисперсии величин ^ и Sn выражаются через поглощенную энергию и характеристики детектора следующим образом:
где р, - постоянные коэффициенты, qi■(n, у) - величина заряда, создаваемого в анодной цепи ф.э.у. за время А^ = ti - ti _ 1 (^ - начало сцинтилляционного импульса), N - количество временных интервалов.
Существует совокупность значений постоянных коэффициентов р, при которых среднее значение
величины SY = 1 Р^п меньше нуля - SY < 0, а среднее значение величины Sn = 1 Рiqin больше нуля - Sn > 0 [4]. При определении типа зарегистрированной частицы анализируется сумма зарядов qi с весовыми коэффициентами р. Результат идентификации определяется тем, реализацией какой случайной величины - SY или Sn - является сумма ^ если S < 0, то зарегистрированная частица идентифицируется как у-квант, если S > 0, то -как нейтрон.
Коэффициенты оптимального фильтра могут быть определены из условий минимума критерия К1, который был рассмотрен в работе [4]:
DS
X( p2
fiy( n)
)
S
1W = ^0 +
1S i = 1
Y( n)
Ey{n/ N
2
(5)
X p
Hi Y(n)
i=1
/
К1 = (DSn + DSy)/(SY - Sn) ,
где DSy, DSn - дисперсии величин SY и Sn.
Из условий минимума критерия К1(р) коэффициенты оптимального фильтра определяются выражением
где Еу(п) - энергия, выделяемая в сцинтилляторе у-квантом (нейтроном); Л3 - спектрометрическая постоянная; Я0 - собственное разрешение детектора; pi - постоянные коэффициенты; qiy^n) - средние значения величин qiy(n), при этом 1 qiy(n) = 1.
Среднее значение заряда qiy(n) пропорционально вероятности высвечивания фотонов в сцинтилляторе за интервал времени [¿,, + х], а его дисперсия
Dqiy(n) ~ <1,у(п) .
Величины Я0 и Л3 характеризуют коэффициент светосбора в детекторе и спектрометрические параметры ф.э.у. [1, 2].
Соотношение между поглощенной энергией комптоновских электронов и зарядом находится при проведении энергетической калибровки по краю комптоновского распределения [1, 2]. Поглощенная энергия протонов пересчитывается в поглощенную энергию электронов с использованием зависимости сцинтилляционной эффективности от поглощенной энергии для электронов и протонов. При этом следует учитывать нелинейность световыхода сцинтиллятора от поглощенной энергии протонов отдачи [5]. Поэтому под энергией далее будем понимать поглощенную энергию комптоновских электронов.
Из сказанного выше следует, что весовые коэффициенты р, определяются временной зависимостью токового сигнала с детектора, полученной при регистрации частиц определенного типа. Для измерения этой зависимости наиболее просто
N
N
использовать непосредственное преобразование аналогового импульса ф.э.у. в цифровую форму при помощи а.ц.п. или цифрового осциллографа.
Численные значения коэффициента блокировки фона и эффективности идентификации определяются относительными дисперсиями величин « и ««.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Детектором на основе органического сцинтил-ляционного монокристалла стильбена регистрировалось излучение импульсного генератора нейтронов с энергией 2.5 МэВ, работавшего в частотном режиме. Нейтроны образовывались в результате реакции
2D + 2D
3He + n, E„ = 2.5 MэB.
Длительность импульса т0.5 составляла ~500 нс, частота следования импульсов - 1 Гц, средний выход нейтронов за импульс ~1.5 ■ 106. Детектор располагался на расстоянии 1.8 м от генератора. Аналоговый токовый импульс ф.э.у. преобразовывался в цифровую форму при помощи цифрового осциллографа.
B детекторе использовался монокристалл стильбена 030 x 10 мм, который находился в оптическом контакте с фотоэлектронным умножителем Hamamatsu R6095 с диаметром фотокатода 28 мм и высокими временным, т0.5 ~ 4 нс, и энергетическим, ~10% (57Со, NaI(Tl)), разрешениями. Измерения проводились в двух энергетических диапазонах: ~30-800 roB и ~2-35 roB при напряжениях питания ф.э.у. 900 и 1350 B соответственно.
B работе использовалось также n-у-излучение радиоизотопных источников. B качестве источников у-квантов использовались источники: ^^s (Ey = 662 raB), 137Ba (Ey = 80 кэB, 303 кэB), 241Am (Ey = 60 кэB). Источником нейтронов служил изотоп 252Cf. При регистрации нейтронов для защиты от сопутствующих у-квантов детектор со всех сторон был окружен свинцом толщиной от 10 до 20 см. Между кристаллом стильбена и изотопом 252Cf защита была максимальной толщины. Такая же защита использовалась при регистрации излучения генератора в энергетическом диапазоне ~2-35 ^B.
Для регистрации сигналов с анода ф.э.у. использовался цифровой осциллограф Tektronix 3014 c пол
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.