Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

ются в электрический сигнал, пропорциональный энергии гаммаквантов. CZT-детекторы не нуждаются в охлаждении. Они имеют более высокую эффективность регистрации гамма-квантов по сравнению со сцинтилляционными и HPGe детекторами, так как обладают большей плотностью и усредненным зарядом. Что касается энергетического разрешения, то они занимают промежуточное положение между сцинтилляционными и германиевыми детекторами. Для гамма-квантов с энергией 662 кэВ CZT-детекторы обеспечивают FWHM = (12-16 кэВ).

Основной недостаток CZT-детекторов – сравнительно небольшие размеры: 1–5 см3. Увеличение размеров обычно приводит к ухудшению их энергетического разрешения. Для повышения чувствительности гамма-детекторов, создаваемых на базе CZTкристаллов, изготавливаются специальные сборки (в виде мозаики), состоящие из 10 и более кристаллов. Однако в этом случае возникают трудности согласования электрических сигналов, возникающих в каждом кристалле, что в конечном итоге приводят к ухудшению энергетического разрешения составного CZT-детек- тора.

Необходимо также отметить, что стоимость CZT-кристаллов сегодня достаточно высокая (более $1000 за один грамм), поскольку для их выращивания используется крайне дорогая технология.

Ксеноновые гамма-детекторы

Главным элементом ксеноновых гамма-детекторов (рис. 7.15) является импульсная с экранирующей сеткой ионизационная камера, заполненная сжатым ксеноном. Ксеноновые гаммадетекторы работают без дополнительных систем охлаждения и обеспечивают энергетическое разрешение FWHM = (11–15 кэВ), которое не хуже, чем у CZT-детекторов. Основные преимущества ксеноновых детекторов заключаются в том, что они могут работать при больших температурах (200 °С) и их спектрометрические характеристики практически не зависят от размеров детектора. Это позволяет изготовить ксеноновые гамма-детекторы с большим чувствительным объемом.

Для сравнения на рис. 7.16 приведены гамма-спектры изотопа бария Ba-133, измеренные гамма-детекторами различных типов.

151

Рис.7.15. Принципиальная схема ксенонового гамма-детектора: 1 – зарядочувствительный усилитель; 2 – кран для наполнения детектора газом; 3 – блок высоковольтного питания; 4 – керамический гермоввод; 5 – цилиндрическая ионизационная камера; 6 – анод; 7 – термоизоляция; 8 – корпус цилиндрической камеры; 9 – металлический корпус

Из рис. 7.16 хорошо видно, что наиболее отчетливо гаммалинии радионуклида Ва-133 проявляются на спектре, измеренном HPGe-детектором, который обладает наилучшим энергетическим разрешением. Что касается спектра, измеренного сцинтилляционным (NaI) гамма-детектором, то многие гамма-линии данного радионуклида не видны. Такие детекторы не позволяют осуществить надежную идентификацию радионуклидов.

В отличие от сцинтилляционных ксеноновые и СZT-детекторы, обладая достаточно хорошим энергетическим разрешением, могут во многих случаях эффективно использоваться не только для обнаружения, но и идентификации радионуклидов.

152

дукты которой, такие, как протоны, альфа-частицы, гамма-кванты и осколки деления, могут регистрироваться детектором.

Для НРА наиболее широко используются газонаполненные и сцинтилляционные (пластмассовые и жидкие) детекторы нейтронов.

Газонаполненные детекторы нейтронов

Газонаполненные детекторы (рис. 7.17) – одни из первых приборов, использовавшихся для регистрации излучений. Они могут применяться для регистрации либо тепловых нейтронов за счет ядерных реакций, либо быстрых нейтронов посредством ядер отдачи.

Рис. 7.17. Типовая блок-схема включения газонаполненных детекторов нейтронов

Детекторы тепловых нейтронов на основе 3Не и ВF3

Вкачестве газов-наполнителей детекторов тепловых нейтронов

обычно применяются 3Не или ВF3. При использовании ВF3 газ обогащается по изотопу 10В. Содержание 3Не в природном гелии составляет около 10–4 %, поэтому 3Не получают путем выделения из трития при его производстве в специальных ядерных реакторах.

Вназванных газах могут протекать следующие ядерные реак-

ции:

3Не + n → 3H + 1H + 765 кэВ 10В + n → 7Li* + 4Не + 2310 кэВ 7Li * + n → 7Li + 480 кэВ

Эти реакции являются экзотермическими и ведут к образованию в газе заряженных частиц высокой энергии.

154

Выбор изотопов 3Не и 10В для газонаполненных детекторов определяется тем, что они обеспечивают очень большие сечения взаимодействия (вероятность взаимодействия, рассчитанная на один атом) с тепловыми нейтронами: 3840 и 5330 барн соответственно. С увеличением энергии нейтронов сечения указных реак-

ций убывают по закону σ ~ 1/ E . Эффективность регистрации тепловых нейтронов (En =0.025 эВ) достигает 77 % для счетчиков

диаметром 2,54 см, наполненных 3Не под давлением 4 атм.

Для регистрации нейтронов с энергиями больше тепловых газонаполненные детекторы обычно окружают полиэтиленом толщиной около 10 см или другими материалами–замедлителями нейтронов. Типичные образцы газонаполненных нейтронных детекторов показаны на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Фотография газонаполненных нейтронных детекторов

Детекторы быстрых нейтронов, наполненные 4Не и СН4

Работа детекторов быстрых нейтронов, наполненных 4Не и СН4 , основана на ионизации газа ядрами отдачи, которые образуются в результате взаимодействия нейтронов с рабочим веществом счетчика. Максимальная энергия Eмакс , передаваемая ядру с массовым числом А нейтроном с энергией Еn , равна

155

Eмакс = (4ААЕ+1)n2 .

Из приведенной формулы следует, что наиболее целесообразно использовать водород как в газообразном состоянии, так и в составе материалов жидких или пластмассовых сцинтилляторов. Обычно детекторы, наполненные 4Не и СН4 , имеют эффективность регистрации быстрых нейтронов около 1 %.

Камеры деления

Камеры деления являются разновидностью газонаполненных счетчиков, рассмотренных выше. Они регистрируют нейтроны, вызывающие вынужденное деление ядер делящегося материала, которым покрыты внутренние стенки камеры. В качестве делящегося материала обычно используется высокообогащенный уран. На внутренние стенки наносится очень тонкий слой урана (поверхностная плотность от 0,02 до 2 мг/см2), который находится в непосредственном контакте с газом детектора. Образующиеся в результате деления осколки движутся практически в противоположных направлениях. Ионизация, вызванная попавшим в газ осколком деления, регистрируется детектором. Осколок, движущийся в противоположном направлении, поглощается стенками детектора. Камеры деления работают в режиме ионизационной камеры, поскольку ионизации, вызванной осколками деления, вполне достаточно и дополнительного газового усиления не требуется.

Пластмассовые и жидкие сцинтилляторы

Быстрые нейтроны взаимодействуют с материалом сцинтиллятора в реакциях упругого рассеяния на ядрах (в основном углерода и водорода). Нейтроны деления или (α n)-реакций вызывают сцинтилляции за счет реакций отдачи в основном на ядрах водорода. Это происходит вследствие того, что при упругом рассеянии на протоне нейтрон может передать ему 100 % своей энергии, в то время как при упругом рассеянии на ядре 12С ему может быть передано не более 28 % энергии нейтрона. Кинетическая энергия протонов отдачи поглощается сцинтиллятором и в конечном итоге преобразуется в тепло и видимый свет. Свет может быть собран

156

фотоэлектронным умножителем, оптически соединенным со сцинтиллятором, и преобразован в электрический сигнал.

Целесообразность использования для регистрации быстрых нейтронов пластмассовых и жидких органических сцинтилляторов определяется их коротким временем формирования отклика и умеренной стоимостью. Быстрота отклика особенно важна при регистрации совпадений, когда соотношение действительных и случайных совпадений может существенно влиять на статистическую точность измерений.

Основным недостатком органических сцинтилляторов при проведении неразрушающего нейтронного анализа является их высокая чувствительность к гамма-излучению. Вероятность регистрации ими нейтронов и гамма-квантов примерно одинакова, а спектры амплитуд импульсов от излучений обоих типов с одинаковой энергией перекрываются. Поэтому амплитуда импульса сама по себе дает немного информации о типе частицы. С некоторыми органическими сцинтилляторами может использоваться электроника, позволяющая методом дискриминации по форме импульса осуществлять эффективное разделение между сигналами от нейтронов и гамма-квантов.

7.5.Измерительная аппаратура и общие принципы проведения ядерного мониторинга космических объектов

Для мониторинга ядерно-физических объектов на борту КА можно использовать практически весь арсенал гамма-нейтронной детектирующей аппаратуры, который создан для проведения наземного НРА. Однако проводя измерения в условиях космического пространства, необходимо учитывать наличие фонового излучения, связанного со значительным потоком космических лучей, а также с вторичным излучением, возникающим при их взаимодействии с конструкционными материалами КА. Известно, что потоки космических лучей в основном состоят из протонов (99 %) с энергиями от нескольких МэВ до десятков ГэВ. Остальные частицы – это ядра легких элементов (гелий, кислород и др.). Вторичное излучение, создаваемое протонами достаточно больших энергий,

157

представляет собой потоки заряженных частиц, нейтронов и гам- ма-квантов. Именно эти частицы формируют фоновое излучение, которое мешает регистрировать потоки нейтронов и гаммаквантов от исследуемых объектов.

Известно, что при наличии фона точность измерения потоков частиц от исследуемого объекта пропорциональна квадратному

корню от времени наблюдений ( t ) . Ясно, что в условиях космо-

са трудно обеспечить контрольные измерения в течение длительного времени, так как для этого необходимо иметь мощные и маневренные КА, способные динамично менять свое положение в пространстве и согласовывать собственную орбиту с направлением движения исследуемого КА. Следовательно, для уменьшения времени измерений необходимо каким-то образом уменьшать потоки фонового излучения, которое попадает в рабочий объем детекторов.

Для этих целей гамма-нейтронные детекторы или сконструированные из них телескопы окружаются дополнительными детекторами, которые включены в схему антисовпадения. При прохождении частицы через охранный детектор возникает электрический сигнал, блокирующий ее регистрацию основным детектором. Таким образом, измерительная аппаратура оказывается эффективно защищена от фонового излучения (рис. 7.19). Обычно с помощью антисовпадательных систем удается снизить фон от космических лучей на несколько порядков.

Рис. 7.19. Блок-схема детектора с охранным счетчиком

Другая важная особенность проведения НРА в условиях космического пространства заключается в том, что эти измерения необ-

158

ходимо выполнять на значительных расстояниях (R ≥ 50 м) от исследуемого объекта и, как уже отмечалось, в течение ограниченного времени. Поэтому для надежного обнаружения и идентификации РДМ на исследуемом объекте следует использовать аппаратуру, обладающую высокой чувствительностью. Основной метод повышения чувствительности измерительной аппаратуры заключается в увеличении чувствительной площади путем ее компоновки из большого количества отдельных гамма-нейтронных детекторов. Так, например, высоко-чувствительные гамма-спектрометры, изготовленные на основе CZT-детекторов, иногда состоят из нескольких тысяч отдельных кристаллов.

Для оценки размеров чувствительной поверхности или рабочего объема детекторов, применяемых для проведения мониторинга ядерно-физических установок на КА, следует учитывать общую геометрию измерений и, в частности, уметь определять телесный угол, под которым виден исследуемый объект. Число частиц N, регистрируемых детектором за время измерений t от точечного источника с интенсивностью I0 определяется следующим выражением:

N = I0 η t 4Ωπ ,

где η – эффективность детектора, Ω – телесный угол.

Для точечного источника и детектора с круговой чувствительной поверхностью телесный угол рассчитывается достаточно просто:

Ω = 12 (1 −cos θ0 ).

Угол θ0 показан на рис. 7.19.

В случае, когда детектор и исследуемый объект имеют протяженные размеры (рис. 7.20) и их нельзя представить в виде точечных элементов, выражение для телесного угла становится более сложным:

159

где As – чувствитель-

ная площадь детектора, Ad – излучаю-

щая площадь исследуемого объекта. Остальные обозначения понятны из рис. 7.20.

Другими словами, для определения общего телесного угла приходится суммировать отдельные телесные углы, под которыми видны отдельные элементы исследуемого объекта каждым элементом чувствительной поверхности детектора.

При наличии объемных источников и детекторов выражение для телесного угла приобретает более сложный вид. В этом случае необходимо проводить интегрирование для каждого объемного элемента источника и детектора.

На борту КА, предназначенного для проведения мониторинга ядерно-физических объектов, установленных на других КА, должны находиться высокочувствительные как интегральные, так и спектроскопические приборы, с помощью которых можно измерять потоки гамма-квантов и нейтронов и их спектральные распределения.

В тоже время эффективность использования этой аппаратуры существенно зависит от возможностей, предоставляемых КА аппаратом, на котором они установлены. Технические требования к таким КА заключаются в следующем:

высокая маневренность, обеспечивающая сближение с исследуемым объектом на близкие расстояния;

160