устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов

Формула изобретения

1. Устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов, состоящее из приемника оптического излучения, системы фокусировки и коллимации оптических лучей, выполненной из оптических объективов и диафрагмы, и экрана-преобразователя, трансформирующего первичный нейтронный поток от источника нейтронов во вторичное оптическое излучение, отличающееся тем, что экран-преобразователь выполнен в виде фигуры вращения с осью, проходящей через центр источника нейтронов, и внешней поверхностью специальной формы, сечение которой определяется уравнением

dy/dr = a/b,

где a = - r(n₁/l₁ + n₂/l₂);

b = n₁(y - f₁)/l₁ + n₂(y + f₂)/l₂;

l₁ = [(y - f₁)² + r²)]^0,5;

l₂ = [(y - f₂)² + r²)]^0,5;

y - координата точки на внешней поверхности экрана;

r - расстояние от оси вращения;

n₁ - коэффициент преломления материала экрана;

n₂- коэффициент преломления окружающей среды (для воздуха n₂1);

f₁ - пepвoe фокусное расстояние (источник-экран);

f₂ - второе фокусное расстояние (экран-приемник),

при этом максимальное удаление точек внешней поверхности от оси вращения определяется условием

dy/dr ,

а оптические объективы и диафрагма установлены на одной оси с экраном-преобразователем между источником нейтронов и приемником оптического излучения.

2. Экран-преобразователь, отличающийся тем, что указанная фигура вращения выполнена полой со стенками из любого прозрачного материала толщиной, определяемой его прочностью (около 1 мм), тогда как внутренняя полость фигуры заполнена водородосодержащей жидкостью, например трибутилфосфатом, в состав которого дополнительно введены ионы гадолиния и европия при общем содержании от 0,1 до 10% (объемных) и их взаимном соотношении от 100:1 до 20:1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для исследования или анализа объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного или рентгеновского излучения.

Известно устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см., например, К. Yoshii and К. Miya. "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", A335, 1993, с.513-522, Mikerov V., Waschkowski W., "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", A-424, 1999, с.48-52), в котором экран выполнен в виде плоской пластины и состоит из однородной смеси водородосодержащего вещества и порошкового люминофора.

Действие экрана основано на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение. Видимое изображение формируется в результате образования протонов отдачи и последующего радиационного возбуждения оптического излучения зерен люминофора. Свет, испускаемый зерном, излучается во всех направлениях и частично выходит с поверхности, на которой находится двухкоординатный приемник оптического излучения, регистрирующий распределение интенсивности оптического излучения на этой поверхности.

Известный экран имеет низкую оптическую прозрачность вследствие его дисперсности. Это ограничивает толщину чувствительного слоя экрана, которая не должна превышать 1-2 мм, а его эффективность для регистрации быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ составляет не более 0,6%.

Известны люминесцентные экраны (см., например, В.Д. Аллен "Регистрация нейтронов", перевод с англ. под ред. Рыбакова, М.: Атомиздат, 1962 г.), выполненные в виде плоской пластины и содержащие жидкие или твердые прозрачные сцинтилляторы. Эти экраны прозрачны при большой их толщине.

Эффективность такого экрана может быть достаточно высокой. Однако плоская форма экрана приводит к тому, что большая доля оптического излучения рассеивается на его поверхностях и попадает в оптический приемник, что приводит к ухудшению пространственного разрешения экрана. Кроме того, в случае веерного нейтронного пучка, излучаемого при использовании в качестве источника нейтронов генератора нейтронов, пространственное разрешение уменьшается для лучей, падающих наклонно к оси экрана. Это ограничивает либо толщину, а значит, и эффективность экрана, либо его диаметр, т.е. размер чувствительной поверхности.

За прототип выбрано устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см., например, J. Rant, M. Balasko, E. Kristof, A. Simonits and J. Stade "Fast Neutron Radiography Using Photoluminescent Imaging Plates" (Abstracts of the VI-th International Conference on Neutron Radiography, 129, Osaka, Japan, May 17-21, 1999), содержащее экран из фотолюминесцентных пластин с энергонакапливающим запоминающим люминофором в комбинации с металлическими активационными фольгами, который позволяет регистрировать быстрые нейтроны в широком диапазоне энергий первичных нейтронов.

Однако использование металлических активационных фольг сопровождается низкой (более чем в 100 раз) эффективностью по сравнению с водородосодержащим иейтрографическим конвертором.

Изобретение направлено на увеличение эффективности экрана, уменьшение влияния рассеянного излучения и ограничений на толщину и диаметр экрана.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов, состоящем из приемника оптического излучения, системы фокусировки и коллимации оптических лучей, выполненной из оптических объективов и диафрагмы, и экрана-преобразователя, трансформирующего первичный нейтронный поток от источника нейтронов во вторичное оптическое излучение, экран-преобразователь выполнен в виде фигуры вращения с осью, проходящей через центр источника нейтронов, и внешней поверхностью специальной формы, сечение которой определяется уравнением

dy/dr=a/b,

где a=-r(n₁/I₁+n₂/I₂);

b=n₁(y-f₁)/I₁+n₂(y+f₂)/I₂;

I₁=[(y-f₁)²+r²)]^0,5;

I₂=[(y+f₂)²+r²)]^0,5;

у - координата точки на внешней поверхности экрана;

r - расстояние от оси вращения;

n₁ - коэффициент преломления материала экрана;

n_{2 -} коэффициент преломления окружающей среды (для воздуха n₂1);

f₁ - первое фокусное расстояние (источник - экран);

f₂ - второе фокусное расстояние (экран - приемник),

при этом максимальное удаление точек внешней поверхности от оси вращения определяется условием

dy/dr,

а оптические объективы и диафрагма установлены на одной оси с экраном-преобразователем между источником нейтронов и приемником оптического излучения, при этом указанная фигура вращения может быть выполнена полой со стенками из любого прозрачного материала толщиной, определяемой его прочностью (около 1 мм), тогда как внутренняя полость фигуры заполнена водородосодержащей жидкостью, например трибутилфосфатом, в состав которого дополнительно введены ионы гадолиния и европия при общем содержании от 0,1% до 10% (объемных) и их взаимном соотношении от 100:1 до 20:1.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена конструкция экрана-преобразователя, на фиг.2 - функциональная схема устройства для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов, а на фиг.3 показан вариант выполнения устройства для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов.

Экран-преобразователь 1 (см. фиг.1) выполнен в виде фигуры вращения специальной формы с осью 2, проходящей через центр источника нейтронов 3. На фиг. 1 обозначены f₁ - первое фокусное расстояние (источник - экран), f₂ - второе фокусное расстояние (экран - приемник).

Устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см. фиг. 2 и 3) содержит экран-преобразователь 1, установленные на одной оси с экраном-преобразователем 1 источник нейтронов 3, диафрагма 4, приемник оптического излучения 5 и оптические объективы 6 и 7 (на фиг.3 отсутствуют), на фиг. 2 и 3 также обозначены направление нейтронного луча 8, направление светового луча 9, сцинтилляционная вспышка 10 и объект исследования 11.

В устройстве для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов (см.фиг.2) экран-преобразователь 1 расположен между источником нейтронов 3 и оптическим объективом 6, при этом на объект исследования 11 попадает прямой нейтронный луч 8 от источника нейтронов 3.

Работает устройство для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов следующим образом.

Допустим, что в качестве материала экрана используется полиметилметакрилат, n₁=1,5, а окружающая среда - воздух, n₁=1. Возможны следующие варианты реализации устройства 1.

1) Приближение параллельного нейтронного пучка.

Действует для реакторного источника или генераторного в случае, когда экран-преобразователь 1 находится на достаточно большом расстоянии L от источника быстрых нейтронов 3 (L/D~100, где D - размер источника).

При этом f₁_ , a f₂-F 10-100 см.

Уравнение для внешней поверхности экрана приводится к виду

d_y/d_r=n₂r/(n₁l₂-n₂y);

l₂=[(y+f₂)²+r²]^0,5.

Это уравнение параболы, и, следовательно, диаметр экрана-преобразователя 1 не ограничен.

В этом случае оптический объектив 6 отсутствует (см.фиг.3). Диафрагма 4 помещается в фокальную плоскость на расстоянии F от экрана-преобразователя 1 так, что центр отверстия диафрагмы 4 находится на оси 2 экрана-преобразователя 1. Размер отверстия диафрагмы ~1 мм.

Оптический объектив 7 располагается от диафрагмы на расстоянии f₂, равном фокусному расстоянию объектива 7. Выходящий параллельный световой пучок освещает приемник оптического излучения 5, в котором происходит регистрация изображения.

2) Приближение веерного пучка.

Действует для генераторного источника при достаточно малом расстоянии между экраном-преобразователем 1 и источником быстрых нейтронов 3.

Возможны три случая:

А) f₁-F₁, f₂_.

В этом случае уравнение поверхности имеет вид

d_y/d_r=n₁r/(n₁y-n₂l₁);

l₁=[(y-f₁)²+r²]^0,5.

Для f₁= 50 см максимальный диаметр экрана составляет 93 см. На выходе экрана-преобразователя 1 имеем параллельный световой пучок, который фокусируется с помощью оптического объектива 6 на отверстие диафрагмы 4. Прошедший через диафрагму 4 свет переносится на приемник оптического излучения 5 напрямую или с помощью еще одного оптического объектива 7.

Б) f₁=F₁, f₂=F₂ (конечные значения). Объектив 6 отсутствует.

В этом случае имеет место общая формула.

Для F₁=F₂=50 см максимальный диаметр экрана составляет 36 см.

Вышедший из экрана свет пропускается через диафрагму 4 н направляется на приемник оптического излучения 5 напрямую или через оптический объектив 7.

В) Экран-преобразователь 1 имеет сферическую форму.

Размер экрана определяется радиусом сферической поверхности и диаметром оптического объектива 6 и может составлять несколько десятков сантиметров. Объектив 6 находится на расстоянии, равном половине фокусного расстояния f₁ от источника 3 и диафрагмы 4. Прошедший через диафрагму 4 свет переносится на приемник оптического излучения 5 напрямую или с помощью еще одного оптического объектива 7.

Во всех случаях назначение диафрагмы 4 уменьшить вклад в нейтронное изображение рассеянного в экране-преобразователе 1 оптического излучения

Таким образом, в предложенном устройстве для регистрации и изображения потоков быстрых нейтронов повышается эффективность экрана за счет уменьшения влияния рассеянного излучения и ограничений на толщину экрана.