Многодетекторный гамма-нейтронный спектрометр и результаты его макетирования

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. 

1. Dreyzin 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Райлли Д. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов. Ч. 1 / под ред. Д. Райлли, Н. Энскина, Х. Смита, С. Крайнера. М.: ВНИИА, 2007. 436 с.

6. Колеватов В.И., Семёнов В.П., Трыков Л.А. Спектрометрия нейтронов и -излучения в радиационной физике. М.: Энергоатомиздат, 1991. 296 с.

7. Моисеев Н.Н., Дидык А.В. Исследование сцинтилляционного спектрометра-дозиметра -квантов и быстрых n // АНРИ. 2016. № 4. С. 24–30.

8. 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.

9. Брегадзе Ю.И., Степанов Э.К., Ярына В.П. Прикладная метрология ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1990. 264 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Жуковский М.В., Ярмошенко И.В. Радон: измерение, дозы, оценка риска. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 231 с.

16. Mustonen R. Method for evaluation of radiation from building materials. Radiat. Prot. Dosimetry. 1984. Vol. 7, no. 1-4. P. 235-238.

17. Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. М.: Энергоатомиздат, 1989. 118 с.

18. Радиологическая защита от облучения радоном. Перевод публикации 126 МКРЗ. М.: Изд-во «ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна ФМБФ России», 2015. 92 с.

19. 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.

20. 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.

21. Arnqvist E. Utilizing measurements of induced radioactivity in elements for neutron spectrum unfolding. Uppsala Universitet, 2024. 55 р.

22. 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.