NO761952L - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører strålingsdetekte-ring og nærmere bestemt et system for detektering av gamma- og neutronstråling og skilling mellom de to strålingsartene.

Detektering av neutroner i nærvær av en stor strøm gammastråler som opptrer samtidig, har alltid vært et vanskelig problem. En løsning på dette problem har vært å benytte en type av detektor, f.eks. ett proporsjonen BF^-regner»som er ufølsom for gammastråler. En annen løsning har vært å anordne et kraf-tig gammaskjormende materiale rundt en detektor for å redusere den gammastrålestrøm som i realiteten avføles av detektoren*

Det finnes mange tilfeller da det er nødvendig å detektere både neutro- og gammastrålebidraget fra en strålings-kilde. Hittil har dette i alminnelighet krevet bruk av et par detektorer»den ene for detektering av neutron og den andre for gammastrålingen. Når kontroll av en strålekilde skal gjennom-føres fra et fly, et helikopter eller lignende, kan imidlertid plass- og/eller vektbehovet for et dobbeltsystem stille sterke begrensninger på kontrolloppdraget.

Den foreliggende oppfinnelse har følgelig til opp-gave å skaffe en kombinert neutron- og gammastrålingsdetektor som er istand til å foreta en så godt som fullstendig separa-sjon mellom neutroner og gammastråler, samtidig som en høy effektivitet for begge opprettholdes. Den minskning 1 vekt- og plassbehov, som den kombinerte detektoren ifølge oppfinnelsen gir, sammenlignet med det tidligere tilgjengelige tilgjengelige dobbeltsystem, gjør den særlig fordelaktig for innbygning 1 luftbårne, radiologiske kontrollsystemer. Detektoren ifølge oppfinnelsen har høy effektivitet for sin størrelse og/eller vekt i forhold til andre system som for tiden benyttes for detektering av neutroner i nærvær av gammastråler eller for detektering av både neutroner og gammastråler.

Et formål med oppfinnelsen er således å frembringe on anordning for strålingsdetektéring, som har høyest mulig effektivitet i forhold til størrelsen og vekten. Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe en anordning for strålingsdetektéring»som er i stand til å detektere både neutroner og gammastråler* Et ytterligere formål mød oppfinnelsen er å frembringe en kombinert neutron* og gammastrålingsdetektor, som er istand til å skille mellom neutroner og gammastråler samtidig med at en høy effektivitet for bagge opprettholdes* Et formål med oppfinnelsen er videre å frembringe en anordning for strå-lingsdetektering, med liten størrelse, måtelig vekt og dessuten evne til å skille mellom neutroner og gammastråler.

Disse og ytterligere formål med oppfinnelsen kan realiseres ved hjelp av en anordning med en detektor for en fotomultiplikator-innretning, som baserer seg på bruk av en kombinasjon av to fosformaterialer»av hvilke det første hovedsakelig scintillerer som reaksjon på neutronstråling og det andre hovedsakelig scintillerer som reaksjon på gammastråler.

En forskjell i forfalls-tidskonstantene for de to fosformaterialene utnyttes for å frembringe pulsformdiskrimine-rihg mellom scintillasjonon i de to fosforene. Pulsformdiskri-mineringen brukes for å styre en utgangsveigen f«eks. en koin-siéensport*for å skille fotomultiplikatorens utsignal i bidragene fra hver enkelt av de to fosforene*

I detektoren benyttes en kombinasjon av relativt små glasspartikler eller ^perler som fordeles i en grunnmasse av scintillerende plastmaterialer. Perlenes størrelse velges slik at de er tilstrekkelig store for å gi en høy absorbsjons-sannsyniighet for neutroner, men tilstrekkelig små (og tilstrekkelig adskilte) slik at det energinivå, hvorved scintillasjoner som tilsvarer gammahendeiser skjer, er karakteristisk mye lav-ere enn de som tilsvarer neutronhendelser, for derved å oppnå diskriminering i pulshøyde. Perler av silikatglass, som aktiveres med cerium og inneholder litium som er anriket på<**>Li»benyttes sammen med en vinyltoluenplast som er anriket med scintillerende materiale, hvilket ett en særlig fordelaktig kom-bina}jon av fosformateriale for den kombinerte detekteringsan-ordningøn ifølge oppfinnelsen.

Termiske neutroner detekteres i glassperlene via Li (h, a)t-reaksjonen, som har en positiv Q-verdi på 4,79 MeV* Alfapartikkelén og tritonen emitteres i motsatte retninger med energier på 2,05 MeV hhv. 2,74 MeV. Siden termiske neutroners frie middelbanelengde ved absorbsjonen typisk er av størrelses-orden 0,6 - 0,7 mm for denne type glass, kan meget høye neutron-detekterlngs-ef fektivlteter oppnås med forholdsvis små glasspartikler. På den andre siden har de Cømpton-elektronene. som er dannet inne i glasset på grunn av gammavirkninger» et leng-er område Inne i glasset enn neutroner med samme ekvivalente energi. Bruken av glasspartikler med tilstrekkelig liten stør-relse fører derfor til en pulshøyde-separering mellom neutroner og gammastråler med samme ekvivalente energi»

Polyvinyltoluen har evnen til å fukte glasskulene og frembringer derved god optisk kobling og letter kombinasjons-detektorens fremstilling. Dessuten ligger polyvinyltoluenets brytningsindeks meget nær glassets, hvorved lysets transmisjon fra glasset inn 1 fotomultiplikatorrøret lettes. Siden plasten er stiv i det témpératurområdet hvori detektoren blir brukt,

er glassperlene fikserte i stilling og gis derved en viss be-skyttelse mot mekanisk påkjenning.

Plasten kan formes i en rekke former, avhengig av den spesielle bruk, og på grunn av polyvinyltoluenea høye hyd-rogeninnhold tjener den også som moderator for å termaiisere (bremse) neutronene. Ved å tilsette scintillerende kjemikalier i polyvinyltoluenet oppnås en effektiv gammadetektor som be-holder spektral informasjon om gammastrålene. Kombinasjonen av pulshøyde- og pulsformdiskriminering ifølge oppfinnelsen til-later følgelig en hovedsakelig fullstendig separarering av neutron- 6g gamraastrålehendelsene.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere med en foretrukket utføreIsesform under henvisning til de med-følgende, f 4 gure r. Fig, 1 viser et blokkskjerna av en detekteringsan-ordning ifølge oppfinnelsen. Fig*Z viser et diagram som illustrerer fotomultiplikator-pulsformer som er oppnådd fra glass- og fra plast-fosforer med bruk av et utvalg av RC-tidskonstanter* Fig. 3 visor et diagram som illustrerer de kombl-nert© fotomultiplikator-utsignalene fra glass- og plast-fosforene i en anordning ifølge oppfinnelsen* Fig. 4 og S viser diagram som illustrerer de separate bidragene fra de kombinerte glass- og plast-fosforene i-følge fig. 3.

Det kan være nyttig å starte beskrivelsen med en generell oversikt over systemet ifølge oppfinnelsen slik det er illustrert i fig; 1. I en kombinasjon av elektriske kretskompo-nenter 10 benyttes et fotomultiplikatorrør 12 med en detektor 14 som omfatter en rekke glasspartikler eller -perler IS i en plastgrunnmasse 16*-Glassperlene 15 scintillerer hovedsakelig som svar på detekteringen av neutroner og plastgrunnmasseh 16 hovedsakelig som svar på detekteringen av gammastråler > slik det skal beskrives nærmere nedenfor»

En første utgang 22 fra fotomultiplikatorrøret 12 benyttes som inngang til en puisformdiskriminator 24. Pulsform-dlskriminatoren 24 frembringer et utsignal 25 som befinner seg i en første tilstand når fotomultiplikatorens utsignal 22 be-rør på en seintillasjon i en glassperle 15, og i en andre tilstand når utsignalene 22 beror på en scintillasjon i grunnmas-sen 16* Utsignalet 25 benyttes som portsignal for en koinsidensport 29*

Et andre utsignal 32 fra fotomultiplikatoren danner inngangssignal 23 til porten 29, etter eventuelt ønsket eller nødvendig forsterkning i en forsterker 34. Dette resulterer i en av de to utgangssignalene 38 eller 39, avhengig av hvorvidt portsignalets 29 tilstand tilsvarer scintillasjoner i glass

eller plast* Utgangssignalene 38 eller 39 mates inn i en flor-kanals analysator 42 for å produsere separate billedgjengivel-ser som representerer antallet seintillasjoner i glasset og plasten, f.eks* diagrammene ifølge fig*4 hhv. 5, som skal beskrives nærmere nedenfor*

Diagrammene ifølge fig. 2^5 er representative for ulike utslgnaler fra en detektorkrets hvor fotomultiplikator-rørets 12 detektor 14 utsettes for en modererert Cf-kilde som emitterer både neutroner og gammastråler. Detektoren 14 inneholder partikler av et scintillerende glass betegnet NE 908 i en grunnmasse av scintillerende polyvinyltoluen, betegnet NE 102, hvor NE 908 og NE 102 er sammensetninger som var til- . gjengelige fra Nuclear Enterprises, Inc*, California* Glasspartiklene ble dannet ved knusning av en glassklve og bruk av de partikler som gikk gjennom et sikt med 1 mm maskevidde og ble holdt igjen på et sikt med 0,5 mm maskevidde. Forholdet i spe-sifikk vekt mellom plasten og glasset var av størrelsesorden 60:1.

En sammenligning mellom kurven 40 og 41, 40* og 41* hhv. 40<*1>og 41" i diagrammet ifølge fig* 2 gir et bilde av det grunnvalg, hvorpå diskriminering av fotomultiplikatorens utsignal 22 kan gjøres for å frembringe portslgnalet 28. En utgående spenningspuls V fra et fotomultiplikatoTrØr har en stigetid som styres av scintillatorens forfalls-tidskohstant t og en falltid, som bestemmes av utgangskretsens RC-tids kons tant t^,* hvor R representerer belastningsresistansen og C kapasitansen inklu-sive kapasitanseh mellom fotomultiplikatorens elektroder og strøkapasitansen. Siden forfallskonstantene for glass- og plast-fosforer typisk er signifikant ulike, f.eks. 75 ns kontra 2,4 ns, for det spesielle glasset og den spesielle plasten som er angitt ovenfor, har fotomultiplikatotrørets utgående spenningspuls en signifikant ulik form for de to fosforene over et område avTg-verdiene, forutsatt at andre faktorer er uforandret. Oe seks kurvene i fig. 2 gjelder for pulsen ved anoden av et typisk fotomultiplikatorrør for de to fosforene vi ved tre ulike verdier på (bestemt ved de angitte resistansverdiené for be-las tningsmot standen R^, idet stor C er konstant). Disse kurver er grafisk gjengivelser av uttrykket: hvor

og Qy er proporsjonal med den totale energi som

er deponert 1 scintillatoren.

Av kurvene i fig. 2 fremgår at en rekke spesielle løsninger kan benyttes i puisformdiakriroinatoren 24 for å dis-kriminere utsignalene 22 mellom scintillasjoner i glasset og i plasten* Slike løsninger kan være basert på bruk av forskjel-ler i amplitude, stigetid eller andre karakteristitl ved 1

kurvene.

Kurven 44 i fig. 3 er et eksempel på en flerkanals-analysator-gjengivelse av fotomultiplikatorens 12 utsignal når den legges som inngangssignal 33 på porten 29. Kurven 44 er en

sammensetning av scintillasjoner som produseres av begge fos-fosforene.Kurven 45 i fig. 4 og kurven 46 i fig. 5 er på den andre siden flerkanals analysatorgjengivelser av glass-utsignalet 38 hhv. plast-utsignalet 59 fra koinsidensporten 29. Pulsen 48 i fig. 4 representerer de:neutronlnduserte scintillasjonene 1 glasset, hvilke også kan skilles ut som pulsen 48V i den sammensatte kurven 44, mens den partielle pulsen 49, som slutter ved støynivå, hovedsakelig representerer scintlllasjon-ene i glassperlene på grunn av de layenergi-gammastråler som genereres av Compton-elektronené. Den pulshøydedlskriminering som frembringes av detektorens 12 glassperler fremgår av kurven 45.

Den optimale konfigurasjonen for detektoren 12 omfatter en jevn avstandsfordeling av glasskuler med en størrelse og i en innbyrdes avstand som maksimerer innfagningen av neutronene i glasset og minimerer scintillasjonene i glasset på grunn av gamraaproduserte Compton-elektroner. Glassperler i et størrelsesomrfidé fra ca. 0,25 mm til noe mindre enn ca. 3 ram skulle gi brukbart resultat for spesielle formål. Den anvendte ladningstetthet for hvert formål vil være bestemt av egenskapene til den aktuelle gammastrøm. Mens glassperler med sfærisk form teoretisk sett skulle være å foretrekke, har man oppnådd tilfredsstillendeyytelse med glassperler eller partikler som er frembragt ved knusning av en glassplate med den ønskete kje-miske sammensetning og utstortering av de frembragte partiklene med tilfeldige former ved hjelp av sikter, for å oppnå det ønskete størrelsesområdet for de spesielle anvendelsene,

Utsignalene 22 og 32 kan hentes fra fotomultiplikatoren 12 på hvert egnet sted* Ved en utførelsésforra av oppfinnelsen ble utsignalet22 hentet fra anoden og utsignalet 32 fra den siste dynoden, som var den fjortende i den spesielle fotomultiplikatoren som ble benyttet, Det sted som disse utsignaler hentes fra, vil selvsagt påvirke graden av den eventuelle forsterkning som kreves av forsterkeren 34 eller foran pulsform- diskriininatorén 24.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for detektering av neutron- og gammastråling og skilling mellom de to strålingsartene under bruk av en fotomultiplikator og en scintillasjonsdetektor for fotomultiplikatoren, karakterisert ved at man i detektoren anordner to fosforer, av hvilke det første hovedsakelig scintillerer som reaksjon på neutronstråling og det andre hovedsakelig scintillerer som reaksjon på gammastråling, med utnyttelse av en adskillende karakteristikk til scintillasjonen fra de to fosforene for produksjon av et første signal som svar på scintillasjonen fra det første fosforet og et andre signal som reaksjon på scintlllasjoner fra det andre fosforet, samt behandling av en utsignal-velgeranordning, hvortil et utsignal fra fotomultiplikatoren tilføres som et inngangssignal med det første og det andre signalet, for å produsere et første utsignal fra velgeranordningen som tilsvarer scintillasjonene fra det første fosforet og et andre utsignal fra velgeranordningen, som tilsvarer seintillasjonene fra det andre fosforet.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det første fosforet er et glass som aktiveres med cerium og inneholder litium som er anriket på Li.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det andre fosforet er en plast.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det første fosforet har form av glasspartikler som er tilstrekkelig store til å frembringe en høy absorbsjonssannsynlighet for neutroner og tilstrekkelig små til å redusere pulshøyden på grunn av gammavirkninger i glasset.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4, karakterisert ved at plasten er polyvinyltoluen som aktiveres med et scintillerende materiale og danner en grunnmasse for glasspartiklene, hvilke har en størrelse mellom 0,25 mm og 3 mm.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at de adskillende egenskapene er forfalls-konstanten av hvert av fosforene og at nevnte signal produseres som reaksjon på pulsformdiskriminering av et spennings-tids-utsignal fra fotomultiplikatoren.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav,6, karakterisert ved at det andre signalet produseres som reaksjon på scintillasjoner fra det andre fosforet, og at velgeranordningen er en koinsidensport, hvis utsignal tilsvarer scintil-las joner fra det første fosforet, når det påvirkes? .v det første nevnte signal og motsvarer scintillasjoner fra det andre fosforet, når det påvirkes av det nevnte andre signal.

8. Anordning for detektering av kombinert neutron-og gammastråling og skilling mellom de to strålingsartene, iføl-ge den fremgangsmåte som er angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter: a. En fotomultiplikator (12), b. En detektor (14) for fotomultiplikatoren, omfattende et første fosformateriale (15), som hovedsakelig scintillerer som reaksjon på neutronstråling, og et andre fosformateriale (16) som hovedsakelig scintillerer som reaksjon på gammastråling, c. En diskriminatoranordning (24) som er operativt koblet til en utgang (23) fra fotomultiplikatoren for produksjon av et signal som reaksjon på scintillasjon av ett av de to fosformaterialene, d. En portanordning (29), som er operativt koblet til diskri-minatoranordningens (24) utgang (25) og til en annen utgang (32) fra fotomultiplikatoren slik at det produseres et utsignal som tilsvarer scintillasjoner fra det nevnte ene fosformateriale.

9. Anordning i samsvar med krav 8, karakterisert ved at det første fosformaterialet er et glass som er aktivert med cerium og som inneholder litium som er anriket på Li, idet glasset har form av partikler med en størrelse fra ca. 0,25 mm til mindre enn ca. 3 mm.

10. Anordning i samsvar med krav 9, karakterisert ved at det andre fosformaterialet er et plast-materiale som er aktivert med scintillerende materiale.

11. Anordning i samsvar med krav 8, karakterisert ved at diskriminatoren (24) produserer et andre signal som reaksjon på scintillasjoner i det andre fosformaterialet, og at portanordningen (29) er en koinsidensport og produserer et andre utsignal som tilsvarer scintillasjoner fra det andre fosformaterialet.

12. Anordning i samsvar med krav 11, karakterisert ved at de to utgangene fra fotomultiplikatoren er uttatt fra dets anode hhv. siste dynode, idet det første materialet er et glass som er aktivert med cerium og som inneholder litium som er anriket med <6> Li, idet glasset har form av partikler i et størrelsesområde fra ca. 0,25 am til mindre enn ca. 3 mia» despergert i en grunnmasse av det andre materialet, som er polyvinyltoluen anriket med scintillerende materiale.