techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-5-106-122techusgu-296Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМногодетекторный гамма-нейтронный спектрометр и результаты его макетированияMultidetector gamma-neutron spectrometer and results of its modelinghttps://orcid.org/0000-0003-4818-565XДрейзинВ. Э.DreyzinV. E.

Дрейзин Валерий Элезарович, доктор технических наук, профессор

г. Курск

Valery E. Dreyzin, Doctor of Sciences (Engineering), Professor

Kursk

КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Alexander P. Kuzmenko, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher of the Regional Center for Nanotechnology

Kursk

apk3527@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-4407-2853ПиккиевВ. А.PikkievV. A.

Пиккиев Валериан Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники

г. Курск

Valeryan A. Pikkiev, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor of the Department of Computer Science

https://orcid.org/0009-0006-2404-5029ЛевентД. В.LeventD. V.

Левент Денис Вейсиевич, студент

г. Москва

Denis V. Levent, Student

Moscow

https://orcid.org/0000-0002-5004-0823ПугачевскийМ. А.PugachevskiiM. A.

Пугачевский Максим Александрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики, директор Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Maksim A. Pugachevskii, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor at the Department of Nanotechnology, Microelectronics and Engineering Physics, Director of the Regional Center of Nanotechnology

Kursk

https://orcid.org/0000-0002-7941-8404КочураА. В.KochuraA. V.

Кочура Алексей Вячеславович, кандидат физико-математических наук, доцент, заместитель директора Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Aleksey V. Kochura, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Deputy Director of the Regional Center for Nanotechnology

Kursk

https://orcid.org/0000-0002-1893-1941РодионовВ. В.RodionovV. V.

Родионов Владимир Викторович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Vladimir V. Rodionov, Candidate of Science (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Regional Center of Nanotechnology

Kursk

https://orcid.org/0009-0006-2616-6908ЛебедевИ. Н.LebedevI. N.

Лебедев Иван Николаевич, студент кафедры нанотехнологий, микропроцессорной техники, общей и прикладной физики

г. Курск

Ivan N. Lebedev, Student of the Department of Nanotechnology, Microprocessor Technology, General and Applied Physics

Kursk

https://orcid.org/0009-0007-7000-9616НессоновМ. В.NessonovM. V.

Нессонов Михаил Владимирович, студент кафедры нанотехнологий, микропроцессорной техники, общей и прикладной физики

г. Курск

Mihail V. Nessonov, Student of the Department of Nanotechnology, Microprocessor Technology, General and Applied Physics

Kursk

Юго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationМосковский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202507042025151106122Copyright © Дрейзин В.Э., Кузьменко А.П., Пиккиев В.А., Левент Д.В., Пугачевский М.А., Кочура А.В., Родионов В.В., Лебедев И.Н., Нессонов М.В., 20252025Дрейзин В.Э., Кузьменко А.П., Пиккиев В.А., Левент Д.В., Пугачевский М.А., Кочура А.В., Родионов В.В., Лебедев И.Н., Нессонов М.В.Dreyzin V.E., Kuzmenko A.P., Pikkiev V.A., Levent D.V., Pugachevskii M.A., Kochura A.V., Rodionov V.V., Lebedev I.N., Nessonov M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/296

Цель. Разработка и исследование спектрометров нейтронного излучения реального времени с энергетическим диапазоном от тепловых до быстрых нейтронов.Методы. В работе используются математическое моделирование, экспериментальные методы исследований, схемотехническое и конструкторское проектирование.Результаты. Разработаны научные основы нового метода спектрометрии нейтронного излучения с произвольной формой энергетического спектра в диапазоне энергий от 0,001 эВ до 20 МэВ с восстановлением спектра измеряемого потока по откликам нескольких детекторов с различными спектральными характеристиками с помощью нейронной сети, обученной на выборке свыше 1000 спектров разнообразной формы. Разработана математическая модель нейтронного спектрометра и проведено её исследование с различными комбинациями детекторов. Определена оптимальная комбинация детекторов/измерительных каналов, обеспечивающая минимальную усреднённую по всем спектрам обучающей выборки ошибку восстановления спектров ( 3%) при минимальном количестве используемых детекторов/измерительных каналов. Разработана структура и математическое обеспечение автоматизированного испытательно-поверочного комплекса для проведения калибровки и поверки нейтронного спектрометра.Разработан и изготовлен макетный образец гамма-нейтронного спектрометра-дозиметра с вторичной обработкой информации, получаемой от блока детектирования на ПК. Проведена настройка его измерительных каналов по радиационному фону радона и его продуктов распада и на нейтронной установке с плутоний-бериллиевым источником нейтронов в НИИ ЯФ МГУ.Доказана работоспособность блока детектирования на высоте 20 км, получены графики зависимости скорости счёта всех измерительных каналов от высоты.Заключение. Проведенные экспериментальные исследования макетного образца многодетекторного гамма-нейтронного спектрометра-дозиметра подтвердили эффективность принятой концепции и справедливость положенных в ее основу теоретических положений, обосновывающих разработку промышленного образца. 

Purpose. Development and study of real-time neutron radiation spectrometers with an energy range from thermal to fast neutrons.Methods. The following methods are used in the work: mathematical modeling, experimental research methods, circuit and design engineering.Results. The scientific basis for a new method of neutron radiation spectrometry with an arbitrary energy spectrum shape in the energy range from 0.001 eV to 20 MeV with the reconstruction of the measured flux spectrum based on the responses of several detectors with different spectral characteristics using a neural network trained on a sample of over 1000 spectrums of various shapes has been developed.A mathematical model of a neutron spectrometer has been developed and its study has been carried out with various combinations of detectors. An optimal combination of detectors/measuring channels has been determined, providing a minimum error in spectrum reconstruction averaged over all spectra of the training sample (~3%) with a minimum number of detectors/measuring channels used.The structure and mathematical support for an automated test and verification complex for calibrating and verifying a neutron spectrometer have been developed.A prototype of a gamma-neutron spectrometer-dosimeter with secondary processing of information received from the detection unit on a PC has been developed and manufactured. Its measuring channels have been adjusted for the radiation background of radon and its decay products and on a neutron setup with a plutonium-beryllium neutron source at the Research Institute of Nuclear Physics of Moscow State University.The operability of the detection unit at an altitude of 20 km has been proven, graphs of the dependence of the count rate of all measuring channels on the altitude have been obtained.Conclusion: The conducted experimental studies of the prototype of the multi-detector gamma-neutron spectrometerdosimeter confirmed the effectiveness of the adopted concept and the validity of the underlying theoretical principles justifying the development of the industrial prototype.

нейтронное излучениеэнергетический спектризмерениемакетнастройкарадиационный фонneutron radiationenergy spectrummeasurementprototypesetupradiation backgroundИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (г/з 2020 № 0851–2020–0035), в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030» (Соглашение № 075–15–2021–1213).The study was carried out with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (g/z 2020 No. 0851–2020–0035), as part of the implementation of the strategic academic leadership program “Priority-2030” (Agreement No. 075–15–2021–1213).ReferencesDreyzin V.E., Grimov A.A., Logvinov D.I. Real time multidetectors neutron spectrometer // Journal of applied spectroscopy. 2016. Vol. 83, no. 3. P. 454-459.Dreyzin V. E., Grimov A. A., Logvinov D. I. // Real Time Multidetectors Neutron spectrometer. Journal of Applied Spectroscopy. 2016. V.83, No. 3. P. 454-459.Dreyzin V.E., Grimov A.A., Logvinov D.I. Scintillation neutron detectors with different spectral characteristics // Journal of Applied Spectroscopy. 2017. Vol. 83, no. 6. P. 1001-1006.Dreyzin V. E., Grimov A. A., Logvinov D. I. Scintillation Neutron Detectors with Different Spectral Characteristics // Journal of Applied Spectroscopy. Vol. 83, No. 6. January, 2017. P. 1001-1006.Формирование и расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных нейтронных детекторов / В.Э. Дрейзин, Д.И. Логвинов, А.А. Гримов, А.П. Кузьменко // АНРИ. 2022. № 3 (110). С. 21–31.Dreizin V. E., Logvinov D. I., Grimov A. A., Kuzmenko A. P. Formation and calculation of spectral characteristics of scintillation neutron detectors // ASRI, No. 3 (110), 2022. P. 21-31 .Моделирование и оптимизация состава детекторов в многодетекторном нейтронном спектрометре реального времени / В.Э. Дрейзин, Д.И. Логвинов, А.А. Гримов, А.П. Кузьменко // АНРИ. 2022. №4 (111). С. 33–43.Dreizin V. E., Logvinov D. I., Grimov A. A., Kuzmenko A. P. Modeling and optimization of the composition of detectors in a real-time multi-detector neutron spectrometer // ASRI, 2022. No. 4 (111). P . 33-43.Райлли Д. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов. Ч. 1 / под ред. Д. Райлли, Н. Энскина, Х. Смита, С. Крайнера. М.: ВНИИА, 2007. 436 с.Bregadze Yu. I., Stepanov E. K., Yaryna V. P. Applied metrology of ionizing radiation // M.: Energoatomizdat, 1990. 264 p.Колеватов В.И., Семёнов В.П., Трыков Л.А. Спектрометрия нейтронов и -излучения в радиационной физике. М.: Энергоатомиздат, 1991. 296 с.Sevastyanov V. D. Modeling reference fields of neutrons for metrological support of neutron measurements at nuclear physics facilities of the Russian Federation. Edited by Doctor of Technical Sciences, Professor S. I. Donchenko. Monograph. - Mendeleevo: FSUE "VNIIFTRI" - 2015. - 176 p.Моисеев Н.Н., Дидык А.В. Исследование сцинтилляционного спектрометра-дозиметра -квантов и быстрых n // АНРИ. 2016. № 4. С. 24–30.Reilly D. Passive Non-Destructive Analysis of Nuclear Materials. Part 1. Edited by Reilly D., Enskin N., Smith H., Krainer S. Translation from English. Moscow: VNIIA, 2007. 436 p.Исследование и подавление чувствительности нейтронных сцинтилляционных детекторов к гамма-излучению / В.Э. Дрейзин, Д.И. Логвинов, А.А. Гримов, А.П. Кузьменко // АНРИ. 2022. № 4 (111). С. 22–32.. Mustonen R. Method for evaluation of radiation from building materials. Radiat. Prot. Dosimetry. Vol. 7, no. 1-4, 1984, pp.235-238.Брегадзе Ю.И., Степанов Э.К., Ярына В.П. Прикладная метрология ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1990. 264 с.Krisyuk E. M. Radiation background of premises. M.: Energoatomizdat, 1989. 118 p.Обеспечение достоверности измерений параметров нейтронного излучения / В.Э. Дрейзин, Д.И. Логвинов, А.А. Гримов, В.В. Варганов // Измерительная техника. 2021. № 5. С. 53–60.ICKR, 2014. Radiological Protection against Radon Exposure. ICRP 43 (3) (Radiological protection against radon exposure – translation of publication 126 ICRP. Moscow: Publishing house “FSBI SRC FMBC named after A. I. Burnazyan FMBB of Russia”. 2015. 92 p.Способ и устройство формирования спектральных характеристик измерительных каналов нейтронных детекторов: патент 2780688 Российская Федерация / Дрейзин В. Э., Логвинов Д. И., Гримов А. А., Кузьменко А. П. № 2021136421; заявл. 10.12.2021; опубл. 29.09.2022, Бюл. № 28. 12 с.Zhukovsky M. V. , Yarmoshenko I. V. Radon: measurement, doses, risk assessment. Ekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 1997. 231 p.Способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени и устройство его реализации детекторов: патент 2780339 Российская Федерация / Дрейзин В. Э., Логвинов Д. И., Гримов А. А., Кузьменко А. П.; № 20211364331; заявл. 10.12.2021; опубл. 21.09.2022. Бюл. № 27. 19 с.: ил.Onischenko A. D., Zhukovsky M. V., Izgagin V. S. A pilot study of indoor thoron and 212Pb concentrations in a residential building in Ekaterinburg, Russia. I. Radional. Nucl. Chem., vol. 331. 2022, pp. 851-858.Способ калибровки многодетекторных нейтронных спектрометров-дозиметров с вычислительным восстановлением энергетических спектров измеряемых потоков: патент 2779952 Российская Федерация / Дрейзин В. Э., Логвинов Д. И., Гримов А. А., Кузьменко А. П. № 2021136429; заявл. 10.12.2021; опубл. 21.09.2022. Бюл. № 26. 9 с.Ruskov I., Kopach Yu.N., Skoy V., Hambsch F-J., Oberstedt S. A multi-detector NaI(Tl) gamma-ray spectrometry system for investigation of neutron induced capture and fission reactions. Physics Procedia. Vol. 59, 2014, pp. 107 – 113.Способ и устройство поверки нейтронных спектрометров-дозиметров в опорных нейтронных полях с различной формой спектров: патент 2782684 Российская Федерация / Дрейзин В. Э., Логвинов Д. И., Гримов А. А., Кузьменко А. П. № 2021136426; заявл. 10.12.2021; опубл. 21.09.2022. Бюл. № 31. 21 с.Elias Arnqvist. Utilizing Measurements of Induced Radioactivity in El-ements for Neutron Spectrum Unfolding. Uppsala Universitet. Project in Applied Physics, 1FA492, 15 ECTS February 28, 2024.Жуковский М.В., Ярмошенко И.В. Радон: измерение, дозы, оценка риска. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 231 с.Ivan Ruskov, Yury Kopach, Vyacheslav Bystritsky, Vadim Skoy, Dimitar Grozdanov, Nikita Fedorov, Tatyana Tretyakova, Fuad Aliev, Constantin Hramco, Vyacheslav Slepnev, Nikolay Zamyatin, Aman Gandhi, Dongming Wang, Ajay Kumar, Evgeni Zubarev, Evgeny Bogolubov, Yuri Barmakov, and TANGRA collaboration. TANGRA multidetector systems for investigation of neutron-nuclear reactions at the JINR Frank Laboratory of Neutron Physics. EPJ Web of Conferences 256, 00014 (2021).Mustonen R. Method for evaluation of radiation from building materials. Radiat. Prot. Dosimetry. 1984. Vol. 7, no. 1-4. P. 235-238.Mustonen R. Method for evaluation of radiation from building materials. Radiat. Prot. Dosimetry. 1984. Vol. 7, no. 1-4. P. 235-238.Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. М.: Энергоатомиздат, 1989. 118 с.Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. М.: Энергоатомиздат, 1989. 118 с.Радиологическая защита от облучения радоном. Перевод публикации 126 МКРЗ. М.: Изд-во «ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна ФМБФ России», 2015. 92 с.Радиологическая защита от облучения радоном. Перевод публикации 126 МКРЗ. М.: Изд-во «ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна ФМБФ России», 2015. 92 с.Оnischenko A.D., Zhukovsky M.V., Izgagin V.S. A pilot study of indoor thoron and 212Pb concentrations in residential building in Ekaterinburg, Russia // I. Radional. Nucl. Chem. 2022. Vol. 331. P. 851-858.Оnischenko A.D., Zhukovsky M.V., Izgagin V.S. A pilot study of indoor thoron and 212Pb concentrations in residential building in Ekaterinburg, Russia // I. Radional. Nucl. Chem. 2022. Vol. 331. P. 851-858.A multi-detector NaI(Tl) gamma-ray spectrometry system for investigation of neutron induced capture and fission reactions / I. Ruskov, Yu.N. Kopach, V. Skoy, F-J. Hambsch, S. Oberstedt // Physics Procedia. 2014. Vol. 59. P. 107-113.A multi-detector NaI(Tl) gamma-ray spectrometry system for investigation of neutron induced capture and fission reactions / I. Ruskov, Yu.N. Kopach, V. Skoy, F-J. Hambsch, S. Oberstedt // Physics Procedia. 2014. Vol. 59. P. 107-113.Arnqvist E. Utilizing measurements of induced radioactivity in elements for neutron spectrum unfolding. Uppsala Universitet, 2024. 55 р.Arnqvist E. Utilizing measurements of induced radioactivity in elements for neutron spectrum unfolding. Uppsala Universitet, 2024. 55 р.TANGRA multidetector systems for investigation of neutron-nuclear reactions at the JINR Frank Laboratory of Neutron Physics / I. Ruskov, Y. Kopach, V. Bystritsky, V. Skoy, D. Grozdanov, N. Fedorov [et al.] // EPJ Web of Conferences. 2021. Vol. 256. Р. 00014.TANGRA multidetector systems for investigation of neutron-nuclear reactions at the JINR Frank Laboratory of Neutron Physics / I. Ruskov, Y. Kopach, V. Bystritsky, V. Skoy, D. Grozdanov, N. Fedorov [et al.] // EPJ Web of Conferences. 2021. Vol. 256. Р. 00014.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.