Двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов

Полезная модель относится к области регистрации и измерения ядерных излучений и предназначена прежде всего для исследования с помощью тепловых и холодных нейтронов структуры вещества, находящегося в конденсированном состоянии. Предложенное техническое решение может быть применено также в нейтронографии и других прикладных исследованиях.
10
10
n
Известны двухкоординатные тонкопленочные газонаполненные детекторы тепловых и холодных нейтронов, работающие на недорогих инертных газах и смесях на основе, например, аргона при атмосферном давлении на продув. В этих детекторах для захвата нейтронов используется тонкий слой изотопа бора В: [1] (Позиционно-чувствительный детектор нейтронов // Патент РФ №2282215); [2] (Позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов с борным конвертором // Известия РАН. Серия физическая. 2011, т. 75, №2, с. 252). Изотоп бора В характеризуется достаточно большим сечением захвата теплового нейтрона, σ=3840 барн для энергии нейтрона 0.025 эВ  При атмосферном давлении газа и работе на продув толщина стенок корпуса детектора может составлять доли миллиметра. Требования к материалам, дегазация из которых может отравлять газ в герметичном объеме детектора, существенно ниже, чем в гелиевом детекторе, работающем при высоком давлении.
10
11
7
4
В результате захвата нейтрона ядром В образуется возбужденное ядро В, которое распадается на ядро лития Li и ядро гелия Не (альфа-частицу). Протекающие при захвате нейтрона реакции записываются в виде:
7
4
В скобках указаны энергии продуктов распада и вероятности реакций. Образующиеся заряженные частицы-фрагменты Li и Не вылетают в противоположных направлениях анизотропно с углом между их траекториями равным 180°. Фрагменты теряют часть своей энергии внутри вещества конвертора, оставшаяся энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов газа при выходе фрагментов в рабочий объем детектора, что позволяет зарегистрировать сигналы.
10
4
7
Для эффективной регистрации тепловых и холодных нейтронов таким детектором необходимо создать определенную концентрацию ядер В на пути нейтрона, для чего слой конвертора должен быть достаточно толстым. Однако, толщина этого слоя не может превышать длину пробега указанных ядерных продуктов в веществе конвертора. Эта длина зависит от ядра и его энергии, плотности вещества и для бора хорошо известна и составляет: 3.27 (4.05) мкм для ядер Не с энергией 1.47 (1.78) МэВ и 1.69 (1.90) мкм для ядер лития Li с энергией 0.84 (1.01) МэВ. Отсюда видно, что толщина конверторного слоя должна быть порядка 1-3 мкм. Можно показать, что при такой толщине конвертора эффективность регистрации нейтрона не больше 5%, что является недостатком. Таким образом, для получения высокой эффективности на пути нейтронов устанавливают по 10-20 пластин (К - в общем случае) с нанесенными на них тонкими пленками твердотельного конвертора, как это сделано в работах: [3] (М. Klein, С.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics // Nucl. Instr. and Meth. A628 (2011), p. 9) и [4] (Zhehui Wang, C.L. Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011), p. 323). Это позволяет продуктам реакции (1) выходить в газ между пластинами и быть зарегистрированными с необходимой эффективностью.
4
10
10
14
2
Наиболее близким по конструктивным признакам и технической сущности к предлагаемому решению является двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе карбида бора ВС, обогащенного изотопом В, описанный в работе [5] (I. Stefanescu, et al. Development of a novel macrostructured cathode for large-area neutron detectors based on the 10B-containing solid converter // Nucl. Instr. and Meth. A727 (2013) p. 109). Конверторы на основе карбида бора, обогащенного изотопом В, являются достаточно радиационно стойкими и выдерживают без морфологических нарушений структуры интегральные потоки нейтронов 10 n/см, см. ссылки [5].
10
10
4
Детектор-прототип с числом пластин - конверторов К=1 содержит два катода, причем один катод - алюминиевая пластина с нанесенным на нее тонким слоем конвертора из карбида бора ВС, обогащенного изотопом В, второй катод - проволочный, и проволочный анод, проволочки которого ориентированы ортогонально провоочкам катода. По номерам "сработавших" проволочек определяются две коодинаты нейтрона X и Y. Профиль пластины с конвертором в сечении имеет V-образную форму с множеством клиновидных ребер с углом при вершине 45° и с глубиной канавок 2 мм.
-3
В качестве конвертора в детекторе-прототипе используется слой карбида бора толщиной 3 мкм, который нанесен на алюминиевую пластинку-подложку вакуумным напылением. Карбид бора имеет удельное сопротивление 10 Ом⋅м - на девять порядков меньше, чем у бора, что исключает накопление заряда на его поверхности, поэтому может служить электродом проволочной камеры.
При регистрации нейтрона на его пути находится один слой тонкопленочного конвертора. В таком детекторе Х-координата может быть определена по номеру сработавшей анодной проволочки, а Y-координата - по номеру сработавшей катодной проволочки, ортогональной направлению анодной проволочки. В работе [5] показано, что эффективность регистрации холодных нейтронов с длиной волны  имеет максимум при толщине конвертора 3 мкм и составляет 12% для используемой клиновидной формы катода с углом при вершине ребер 45°, что на 40% больше, чем для плоского катода без ребер.
Установка в камеру пластины с двухсторонним напылением конвертора для улучшения эффективности бессмысленное решение, т.к. фрагменты реакции (1) регистрируются только те, что выходят в рабочий объем камеры, т.е. с одной стороны пластины с конвертором (вторая сторона не работает). Установка же двух пластин с конвертором в качестве двух катодов камеры для улучшения эффективности исключает вторую координату, т.е. такое решение также неприемлемо.
0
0
10
При числе пластин с конвертором К>1 для увеличения эффективности регистрации тепловых и холодных нейтронов в детекторе-прототипе используется К проволочных камер. Для эффективности 50%, как показано в работе [6], требуется 10 слоев и 10 камер. Следует подчеркнуть, что при других длинах волн λ, отличных от λ, сечение захвата нейтрона ядром В пропорционально отношению λ/λ, значит для тепловых нейтронов с меньшей длиной волны  эффективность с 50% уменьшится до 20%. Значит, чтобы вернуть эффективность на прежний уровень 50%, число слоев конвертора и число камер необходимо увеличить до 26. Это является существенным недостатком прототипа - требуется слишком много проволочных камер для получения высокой эффективности детектирования тепловых нейтронов. Увеличение числа пластин и камер приводит к увеличению вещества на пути нейтронов и к ослаблению потока нейтронов, что нежелательно.
Техническим эффектом заявляемой полезной модели является повышение эффективности детектора тепловых нейтронов при меньшем числе конверторных пластин и меньшем числе проволочных камер.
10
10
4
Технический эффект достигается тем, что в двухкоординатном тонкопленочном газонаполненном детекторе тепловых и холодных нейтронов, состоящем из набора К (К≥1) пластин с клиновидными ребрами с нанесенным на их поверхность тонкопленочным покрытием карбида бора ВС, обогащенного изотопом В, выполняющем роль конвертора, при этом пластины одновременно являются электродами газонаполненных проволочных камер с двумя рядами ортогонально ориентированных проволочек в каждой камере и с рабочим газом при атмосферном давлении на продув, новым является то, пластины с конвертором установлены в зазоры между К+1 камерами, конвертор нанесен на обе стороны пластин, угол при вершине ребер не более 20 градусов, вершины ребер на противоположных сторонах пластин смещены друг относительно друга, катодные проволочки камер ортогонально ориентированы относительно друг друга, а анодные проволочки камер соединены вместе.
Предложенный детектор отличается тем, что при равной суммарной толщине конверторного слоя, созданного на К пластинах, в детекторе-прототипе 2К камер, а в предлагаемом детекторе К+1 камера. В прототипе используется односторонний конвертор, а в предлагаемом детекторе - двухсторонний, что повышает эффективность при меньшем числе пластин и камер. Кроме того, уменьшение угла при вершинах ребер в предлагаемом детекторе увеличивает эффективную толщину конверторного слоя, которую пересекает нейтрон согласно:
эф
где d - физическая толщина пленки конвертора на пластине, θ - угол, под которым нейтрон входит в пленку конвертора. Так, при θ=10° и d=3 мкм d=17 мкм, в 5.7 раз больше. Смещение вершин ребер на противоположных сторонах пластин в предлагаемом детекторе также приводит к увеличению эффективности, т.к. на вершинах эффективность падает.
3
2
3
Ребра на пластинах предлагаемого детектора можно выполнить по технологии послойного спекания нанопорошка алюминия лазерным лучом. Это делается на 3D-принтере по заданной цифровой модели. Отметим в качестве примера, что послойное разрешение 3D-принтера типа X line 1000R, см. http://3dtoday.ru/3d-printers/concept-laser/x-line-1000r/, составляет 20 мкм; этого разрешения достаточно для изготовления подложки с различными профилями. Скорость печати составляет 10-100 см/час, а максимальный размер печатаемых деталей достигает 630×400×500 мм. В нашем случае это соответствует размерам пластины-подложки 630×400 мм. Объем материала, расходуемого на изготовление одной подложки с высотой ребер 1 мм, составляет 25 см, значит на изготовление одной подложки потребуется не более одного часа. Технология 3D-печати бурно развивается в мире и приведенные характеристики по разрешению и скорости печати могут улучшиться, значит угол при вершинах ребер, оределяющий эффективность детектора, - уменьшиться.
10
4
Предложенный детектор устроен следующим образом. Рассмотрим простейший вариант детектора с одной пластиной (К=1), на которую с двух сторон нанесен тонкопленочный конвертор из карбида бора ВС, см. рисунок Фиг. 1. В герметичном и заполненном рабочей газовой смесью на основе аргона корпусе 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, обеспечивающими продув смеси при атмосферном давлении, пластина с конвертором 4 вставлена в зазор между двумя проволочными камерами (К+1=2). Камеры имеют анодные 5 и катодные 6 и 7 проволочные электроды. Проволочки электродов припаяны к печатным ламелям рамок из стеклотекстолита, места пайки, как и вещество рамок, расположены вне пучка нейтронов.
На рисунке Фиг. 2 представлен обобщенный вариант детектора с К пластинами с нанесенными на них с двух сторон тонкопленочными конверторами и К+1 проволочными камерами. Пластины с конвертором вставлены в зазоры между камерами.
На рисунках Фиг. 3 в увеличенном масштабе приведены возможные профили пластин-подложек с клинообразными ребрами, выполненными по технологии 3D-печати, на которые тонкопленочный конвертор из карбида бора нанесен с двух сторон пластин: равнобедренный треугольник в профиль, многократно "напечатанный" 3D-принтером вместе с пластиной (а) - как в прототипе; треугольник многократно напечатанный 3D-принтером вместе с пластиной, но со смещением вершин на противоположных сторонах (б, в, г), напечатанный на листовом основании сначала с одной стороны листа, а затем с противоположной; неравнобедренный треугольник (г), напечатанный на листовом основании.
На рисунке Фиг. 3 (д) показано, что гранулярность 3D-печати 20 мкм позволяет получить необходимую форму ребра с углом при вершине 2θ~20° (а при усовершенствованной 3D-печати - и 2θ~10°). Жирной линией показан идеальный случай, когда пленка конвертора нанесена равномерно. В реальности на "гранулированной" поверхности слой нанесенного карбида бора может быть волнистым и неравномерным по толщине. Чем выше разрешение 3D-печати, тем ближе к идеальному будет слой конвертора.
В работе [5] моделировалось неравномерное напыление на ребристую V-образную поверхность подложки с углом при вершине 2θ-45° (прототип) и показано, в том числе экспериментально, что неоднородность напыления карбида бора практически не сказывается на эффективности детектора.
10
4
На Фиг. 1 изображен простейший двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов, состоящий из одной (К=1) пластины с клиновидными ребрами с нанесенным на ее поверхность с обеих сторон тонкопленочным покрытием из карбида бора ВС, обогащенного изотопом выполняющим роль конвертора, и двух проволочных камер (К+1=2) с рабочим газом при атмосферном давлении на продув, при этом пластина с конвертором служит общим дрейфовым электродом для двух камер, т.к. вставлена между камерами.
Здесь 1 - герметичный корпус, 2 и 3 - патрубки для входа и выхода газа при работе на продув, 4 - пластина с конверторным слоем, нанесенным с обеих сторон, 5 - анодные проволочки камеры, 6 и 7 - катодные проволочки для определения X и Y координат.
На рисунке Фиг. 2 изображен двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов, состоящий из К пластин с двухсторонним конвертором и К+1 камерой.
На рисунке Фиг. 3 (а, б, в, г) в увеличенном масштабе приведены возможные профили пластин-подложек с клинообразными ребрами, выполненными по технологии 3D-печати, на которые тонкопленочный конвертор из карбида бора нанесен с двух сторон пластин. На рисунке Фиг. 3 а показан профиль пластины, совпадающей с прототипом, но напыленный с двух сторон конвертором и с меньшим углом при вершинах ребер, а на остальных - показан новый профиль пластин, отличающийся от прототипа дополнительно еще и сдвигом вершин ребер. На рисунке Фиг. 3 (д) показано, что гранулярность 3D-печати 20 мкм позволяет получить необходимую форму ребра с углом при вершине 2θ~20°.
Количество вещества пластины-подложки, выполненной из алюминия толщиной ~1 мм, практически не сказывается на характеристиках детектора, главное, чтобы на пути нейтронов не было водород-содержащего органического вещества, сильно рассеивающего нейтроны. Проволочные камеры, если их немного, обладают высокой прозрачностью и мало вносят вещества в пучок нейтронов: анодные электроды выполнены из проволочек золоченого вольфрама, диаметр которых 15-30 мкм при шаге 2 мм, катодные электроды могут быть выполнены из таких же проволочек золоченого вольфрама или нержавеющей стали с шагом 1-2 мм. Атмосферное давление рабочего газа и работа на продув позволяют делать окна детектора тонкими - доли миллиметра (в детекторах с гелием при давлении 5-10 атм толщина окон достигает 10-20 мм).
Предложенный двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов работает следующим образом. Электроны первичной ионизации появляются при выходе в газ сильно-ионизирующих фрагментов: альфа-частицы или ядра лития, реакция (1). Пластины с конвертором 4 являются общими дрейфовыми электродами двух смежных проволочных камер, а зазоры между пластинами и проволочными катодами - дрейфовыми зазорами, позволяющими транспортировать первичные электроны из этих зазоров электрическим полем с напряженностью 100-200 В/см в рабочий объем одной из камер. На пластину с конвертором 4 (карбид бора - проводящий материал) подается нулевой потенциал (земля), а на катоды -6, 7, например, +100 В. Приложенный потенциал на анодных проволочках 5 выбирается более положительным и может составлять 1-2 кВ. В окрестности анодных проволочек в сильном электрическом поле, превышающем 20 кВ/см, возникает лавинное умножение электронов - вторичная ионизация. Число первичных электронов в зазоре камеры зависит от энергии вышедшего в газ фрагмента и может составлять несколько тысяч, поэтому в камере достаточно создать усиление порядка 100 для надежной регистации сигналов современной электроникой. Движущийся заряд положительных ионов, который образуется в окрестности анодной проволочки, индуцирует сигналы как на аноде, так и на обеих катодах в той камере, куда были транспортированы первичные электроны. Особенность детектора, заключающаяся в том, что захват нейтрона ядром бора происходит только в одном из 2К слоев, где К - число конверторных пластин. Следовательно, первичный заряд попадет только в одну из К+1 камер. Эта особенность позволяет объединить анодные проволочки всех камер вместе в один канал электроники - управляющий (чего нельзя сделать в прототипе), а катодные проволочки соединить последовательно в каждой катодной плоскости 6 (Х-координата) и 7 (Y-координата). Такое техническое решение позволяет существенно уменьшить число каналов электроники. В предложенной конструкции детектора пластины с конвертором (дрейфовые электроды) находятся под нулевым потенциалом. Они просто вставляются в зазоры с шириной, например, 5 мм между проволочными камерами, и их устанавливается столько, сколько нужно в конкретной комплектации для эффективной регистрации нейтронов с заданной длиной волны.
10
Для оценки эффективности предлагаемого тонкопленочного детектора тепловых и холодных нейтронов ограничимся вероятностью захвата нейтрона ядром В, для чего воспользуемся формулой:
3
10
10
n
где N - концентрация атомов в 1 см конверторного слоя, которая определяется отношением плотности вещества к его атомной массе, σ=3840 барн - сечение захвата теплового нейтрона с энергией 0.025 эВ  ядром В. Предполагается, что вероятность выхода фрагментов реакции (1) из пленки конвертора в газ близка к единице, поэтому приведенные здесь расчетные величины следует рассматривать, как предельные. В таблицу сведены вероятности захвата ядром В нейтрона с различной длиной волны для разных случаев комплексирования детектора с числом конверторных пластин К=1, 2, 3 и 4, с толщиной слоя 3 мкм, при различных углах при вершине ребер 2θ. Из таблицы видно, насколько эффективен предложенный детектор в сравнении с прототипом (2θ=45°). Заметим, что для эффективной регистрации холодных нейтронов с  в предлагаемом детекторе может быть всего одна пластина (K=1). Для регистрации тепловых нейтронов с эффективностью выше 50% необходимо минимум 3 слоя (K=3) при 2θ=20°. С уменьшением угла 2θ до 10° при совершенствовании технологии 3D-печати число пластин уменьшается до К=2.
Как уже отмечалось, новизна детектора в том, что конвертор нанесен на обе стороны пластин, а также в том, что треугольный профиль V-образных ребер может быть разным, не только таким, как в прототипе - равнобедренный треугольник с углом при вершине 2θ=45°, но с меньшими углами, с разными сторонами, с меньшей высотой h и шагом s ребер (эти величины связаны соотношением: h≈s/θ). При этом вершины ребер на противоположных сторонах подложки смещены, например, на четверть шага, в отличие от прототипа. Если пучок нейтронов имеет расходимость ±α (α<θ), то при наличии противоположно направленных склонов с тонкопленочным конвертором создается эффект «шеврона», как и в детекторе-прототипе, и усредняется угол входа нейтрона в конвертор. Смещение ребер на противоположных сторонах подложки повышает эффективность регистрации нейтронов по сравнению с прототипом, т.к. на вершинах ребер эффективность снижается [5].
Толщина детектора по пучку в предложенной конструкции в варианте четырех конверторных слоев (см. таблицу 1) составляет 5-6 см. Это при равных эффективностях существенно меньше, чем в детекторе-прототипе с 26 камерами.