ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ
GAS-FILLED DETECTOR FOR SMALL-ANGLE SCATTERING OF THERMAL NEUTRONS

Область техники
Изобретение относится к области технической физики, а точнее к области детекторов для регистрации тепловых нейтронов, рассеянных под малыми углами, и может быть использовано в области физики конденсированных сред при изучении образцов разной природы на всех нейтронных источниках.
Уровень техники
Известен одномерный позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов [Препринт ОИЯИ, Р13-2006-152, А.В. Белушкин, А.А. Богдзель, В.В. Журавлев, С.А. Кутузов, Ф.В. Левчановский, Ли Ен Че, Е.И. Литвиненко, А.С. Никифоров, Ц.Ц. Пантелеев, В.И. Приходько, А.Н. Черников, А.В. Чураков, В.Н. Швецов, "Одномерный позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов"].
2
Детектор представляет герметически изолированный корпус из алюминиевого сплава Д16Т, материал входного окна - АМГ. В передней крышке расположено входное окно для нейтронов, с размерами 220×100 мм.
Корпус детектора заполнен смесью из гелия-3 и тетрафторметана.
Детектор имеет два разъема для откачки или заполнения газа и для работы в проточном режиме, и два разъема для подачи высокого напряжения.
Внутри корпуса расположены две катодные, одна анодная и две дрейфовые плоскости. Анодная и катодные плоскости представляют собой текстолитовые рамки, на которые натянуты тонкие позолоченные проволочки. Толщина анодных проволочек 10 мкм, катодных - 50 мкм. Расстояние между катодами составляет 12 мм, анод расположен посредине между ними. Передняя дрейфовая плоскость такая же, как и катодная плоскость. В качестве задней дрейфовой плоскости используется сплошной лист фольгированного текстолита. Анодные проволочки намотаны с шагом 2 мм и соединены общей шиной, катодные проволочки намотаны с шагом 1 мм, объединены по две и выведены на линию задержки, которая собрана из 114 дискретных элементов.
На корпусе детектора закреплены коробки с аналоговой электроникой.
Недостатком указанного детектора является отсутствие возможности измерение второй координаты. Это приводит к невозможности оценить угловой размер неоднородности образца.
Недостатком указанного детектора также является отсутствие отверстия в центре для пропускания прямого пучка нейтронов. Это приводит к повышению фона.
Известен кольцевой многонитевой детектор медленных нейтронов с гелием-3 [Сообщения ОИЯИ, Дубна, 3-11502, Б.Н. Ананиев, А.Б. Кунченко, В.И. Лазин Ю.М. Останевич, Е.Я. Пикельнер, "Кольцевой многонитевой детектор медленных нейтронов с гелием-3", 1978 г. ]. (Прототип).
Детектор имеет, герметически изолированный корпус и по форме напоминает диск с отверстием в центре для пропускания прямого пучка нейтронов. Рабочий объем детектора (наружной диаметр 728 мм, внутренний 246 мм, глубина 40 мм). Со стороны падающего пучка нейтронов рабочий объем ограничен дюралевой крышкой толщиной 5 мм.
Корпус детектора заполнен смесью из гелия-3 и аргона.
Корпус детектора разделен на 8 камер с помощью концентрических медных перегородок. По центру каждой камеры на тефлоновые держатели натянута вольфрамовая нить с толщиной 25 мкм - анод.
Каждая камера имеет высоковольтный ввод. Несущим элементом детектора является плита из нержавеющей стали, на которой крепятся тефлоновые опоры (держатели), медные перегородки - катоды и высоковольтные вводы.
На обратной стороне несущей плиты размещены аналоговая электроника, 2 крана для откачки (заполнения) и контрольный манометр, показывающий давление газа в рабочем объеме детектора.
Недостатком указанного детектора является отсутствие возможности измерения второй координаты. Это приводит к невозможности оценить угловой размер неоднородности образца.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое изобретение решает задачу по увеличению координатного разрешения детектора путем введения второй координаты, что повышает точность измерения местоположения неоднородностей в исследуемом образце.
Существенные признаки предполагаемого изобретения:
- Герметичный корпус с крышкой с центральным отверстием для прохождения прямого пучка и герметичными разъемами для связи с внешними устройствами.
- Внутри корпуса расположена система из заземленных концентрических колец разного диаметра, которые выполнены из гибкого упругого материала (двухсторонний фольгированный стеклотекстолит).
- Внутренний слой кольца разделен электроизоляционными слоями на сектора, которые исполняют роль отдельных катодов, взаимно ориентированных на геометрический центр детектора.
- Внешний слой кольца заземлен и исполняет роль дополнительного катода.
- Число колец равно девяти.
- Число катодов на каждом кольце одинаково и равно 16.
- Аноды расположены между катодами и выполнены в виде нитей, которые натянуты на электроизоляционных держателях.
- Для держателя анодных нитей в зоне электроизоляционного слоя каждого кольца выполнены отверстия.
- Держатель имеет форму петли и выполнен из флюорокарбоновой лески.
- Каждый анод и каждый секторальный катод подключены к аналоговой электронике и образуют тем самым двухкоординатные детекторы.
- Аналоговая электроника расположена внутри объема корпуса.
- Аналоговая электроника, содержащая зарядочувствительный предусилитель подключенный к электронной схеме, содержащей усилитель-формирователь, и через корпусные разъемы связанная с внешней системой накопления данных.
Отличительные признаки предполагаемого изобретения:
- Все кольца выполнены из гибкого упругого материала, а именно двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, что позволяет получить кольца с произвольным радиусом и тем самым улучшить разрешение детектора по одной координате.
- Число колец равно девяти (на одно больше), что позволяет увеличить разрешение детектора.
- Внутренний слой кольца разделен электроизоляционными слоями на сектора, которые играют роль отдельных катодов, взаимно ориентированных на геометрический центр детектора.
- Число катодов на каждом кольце одинаково и равно шестнадцати. Это дает возможность ввести в качестве параметра измерения новую координату. Введение новой координаты позволяет лучше оценить размеры неоднородностей в исследуемом образце.
- Для держателя анодных нитей в зоне электроизоляционного слоя каждого кольца сделаны отверстия, что позволяет легко монтировать сами держатели и натягивать анодные нити.
- Держатель имеет форму петли и выполнен из флюорокарбоновой лески.
- Каждый анод и каждый секторальной катод подключены к аналоговой электронике; образованный таким образом двухкоординатный детектор дает возможность оценить угловую или осевую анизотропию рассеянных тепловых нейтронов при изучении образцов разной природы.
- Аналоговая электроника расположена внутри объема корпуса для устранения влияния импульсных наводок и снижения уровня электронных шумов.
- Аналоговая электроника, содержащая зарядочувствительный предусилитель и усилитель-формирователь, через корпусные разъемы связана с внешней системой накопление данных.
Перечень фигур.
В Лаборатории Нейтронной Физики (ЛНФ), Объединенного Института Ядерных Исследований (ОИЯИ) разработан газонаполненный детектор для измерения малоуглового рассеяния тепловых нейтронов.
1. На Фиг. 1 (Приложение 1) представлен общий вид детектора в горизонтальной плоскости.
2. На Фиг. 2 (Приложение 1) представлена в увеличенном масштабе часть концентрических колец, выполненных из гибкого упругого материала.
3. На Фиг. 3 (Приложение 2) представлен вертикальный разрез детектора.
4. На Фиг. 4 (Приложение 2) представлена блок схема детектора с аналоговой электроникой и системой накопления данных.
На Фиг. 1 (Приложение 1) представлен общий вид детектора в горизонтальной плоскости, где:
1. Корпус.
2. Герметичные разъемы для вывода сигналов с аналоговой электроники.
3. Герметичные разъемы для ввода анодного напряжения.
4. Одно из 9-ти концентрических колец.
5. Держатель для анодной нити.
6. Анодная нить.
7. Внешний металлизированный слой кольца.
8. Внутренний металлизированный слой кольца.
9. Вакуумный разъем.
10. Отверстие для прохождения прямого пучка.
Корпус 1 детектора изготовлен из дюралевого сплава в форме кольца. Для пропускания прямого пучка нейтронов в центральной части корпуса выполнено коаксиальное отверстие 10. Крышка детектора изготовлена также из дюралюминия.
Детектор имеет два герметических разъема 9 для откачки и заполнения газа, а также работы в проточном режиме; два герметических разъема для ввода высокого напряжения на аноды 3 (один рабочий и один запасной) и девять герметических разъемов типа ШР-19 для вывода анодных и катодных сигналов 2.
Внутри корпуса расположены девять заземленных со стороны внешних поверхностей концентрических колец 4 разного диаметра, являющихся частью детектора.
Аноды 6, выполнение в виде нитей из позолоченного вольфрама индивидуально для каждого кольца, натянуты на электроизоляционных держателях 5, имеющих форму петли, и выполненных из флюорокарбоновой лески.
Концентрические кольца выполнены из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0.5 мм и 30 мкм медного покрытия.
Внутренний металлизированный слой каждого кольца 8 разделен на шестнадцать секторов, электрически изолированных друг от друга.
Внешний металлизированный слой каждого кольца 7 заземлен и исполняет роль катода.
На Фиг. 2 (Приложение 1) представлена в увеличенном масштабе часть концентрических колец, выполненных из гибкого упругого материала, где:
11. Сектор - катод на внутренней стороне кольца.
5. Держатель анодной нити.
4. Одно из 9-ти концентрических колец.
6. Анодная нить.
7. Внешний металлизированный слой кольца.
Внутри корпуса расположены девять заземленных со стороны внешних поверхностей концентрических колец 4 разного диаметра, являющихся частью детектора.
Аноды 6 в виде нитей из позолоченного вольфрама расположены между кольцами и натянуты на электроизоляционных держателях 5, имеющих форму петли и выполненных из флюрокарбоновой лески.
Концентрические кольца выполнены из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0.5 мм с 30 мкм медным покрытием.
Внутренний металлизированный слой каждого кольца 8 разделен на шестнадцать секторов.
Внешний металлизированный слой каждого кольца 7 заземлен и исполняет роль катода.
На Фиг. 3 (Приложение 2) представлен вертикальный разрез детектора, где
12. Платы аналоговой электроники.
Для устранения влияния импульсных наводок и снижения уровня электронных шумов вся аналоговая электроника расположена внутри объема корпуса на плате 12.
Аналоговая электроника включает в себя зарядочувствительные предусилители и усилители-формирователи одного типа - 9 анодных и 144 катодных.
На Фиг. 4 (Приложение 2) представлена блок схема детектора с аналоговой электроникой и системой накопления данных, где:
13. Источник высокого напряжения.
3. Герметичный разъем для ввода высокого напряжения на аноды.
12. Аналоговая электроника. Одна из 16-ти плат.
2. Герметичные разъемы для вывода сигналов аналоговой электроники.
14. 32-х канальные блоки дискриминаторов.
15. Программируемый электронный блок контроллера.
16. Персональный компьютер.
Источник высокого напряжения 13 подключен к двум герметическим разъемам для ввода высокого напряжение на аноды 3 (один рабочий и один запасной). Для устранения влияния импульсных наводок и снижения уровня электронных шумов вся аналоговая электроника расположена внутри объема корпуса в виде платы 12. Выходы аналоговой электроники подключены к герметичным разъемам 4 для вывода сигналов, которые подключены к пяти 32-канальным блокам дискриминаторов 14, блоки дискриминаторов подключены к программируемому электронным блоку контроллера 15, с которого информация поступает на персональный компьютер 16.
Описание детектора.
Корпус Фиг. 1 (Приложение 1) детектора изготовлен из дюралевого сплава "АМЦ-б" в форме кольца с габаритами: радиус 283 мм, высота 90 мм. Для пропускания прямого пучка нейтронов в центральной части корпуса выполнено коаксиальное отверстие с радиусом 83 мм. Крышка детектора изготовлена также из дюралюминия. Корпус детектора, заполнен смесью из гелия-3 и аргона.
Детектор имеет два герметических разъема Фиг. 1 (Приложение 1) для откачки, заполнения и работы в проточном режиме, два герметических разъема для ввода высокого напряжения на аноды (один рабочий и один запасной) и герметические разъемы типа (ШР-19) для выводов анодных и катодных сигналов.
Внутри корпуса Фиг. 1 и Фиг. 2 (Приложение 1) расположены 9 заземленных с внешней стороны концентрических колец с радиусами 77.5, 98.5, 119.5, 140.5, 161.5, 182.5, 203.5, 224.5, 245.5 мм и высотой 42 мм.
Концентрические кольца выполнены из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0.5 мм с 30 мкм медным покрытием.
Внутренний металлизированный слой каждого кольца Фиг. 1 и Фиг. 2 (Приложение 1) разделен на 16 секторов. Ширина электроизоляционного слоя между секторами - 2 мм. Таким образом, каждый сектор занимает ~1/1б от полного угла 2п. Количество катодных секторов 144.
Внешний металлизированный слой каждого кольца Фиг. 1 и Фиг. 2 (Приложение 1) заземлен и исполняет роль катода.
Границы всех секторов определены общими радиус-векторами, исходящими из центра детектора. Для держателя анодных нитей в зоне электроизоляционного слоя каждого кольца выполнены отверстия.
Анодные нити Фиг. 1 и Фиг. 2 (Приложение 1) из позолоченного вольфрама диаметром 25 мкм индивидуальны для каждого кольца, расположены между кольцами приблизительно на половине высоты кольца и натянуты на электроизоляционных держателях, имеющих форму петли, и выполнены из флюорокарбоновой лески.
С каждого из 9-ти анодов и 16-ти катодов на каждом кольце снимается сигнал, который поступает на аналоговую электронику, а затем через разъемы тип ШР-19 подается на внешней систему накопления данных.
Это нововведение (секторальное разделение внутреннего металлизированного слоя концентрических колец) дало возможность ввести в качестве параметра измерений новую вторую координату.
Для устранения влияния импульсных наводок и снижения уровня электронных шумов вся аналоговая электроника расположена внутри объема корпуса в виде печатных плат Фиг. 3 и Фиг. 4 (Приложение 2). Количество плат 16 и они расположены на расстоянии 4 мм от колец.
Аналоговая электроника включает в себя зарядочувстительные предусилители и усилители формирователи одного типа - 9 анодных и 144 катодных.
Сигналы аналоговой электроники выводятся через герметичные разъемы тип ШР-19 и поступают на пять 32-канальных блоков дискриминаторов. Блоки дискриминаторов подключены к программируемому электронному контроллеру, который подключен к персональному компьютеру фиг.4 (Приложение 2).
Работа устройства
Принцип действия детектора состоит в следующем.
Образец помещается на оси коллинеарного пучка тепловых нейтронов. Коллинеарный поток обеспечивается удалением системы коллимации от источника нейтронов и является обязательным требованием для геометрических стартовых условий измерений. Обязательное требование к эксперименту - чтобы в нейтронный пучок полностью вписывались контуры образца.
Детектор помещается в плоскости перпендикулярной оси пучка нейтронов. Центр детектора должен в точности совпадать с осью. Расстояние между образцом и плоскостью детектора определяет угловое разрешение системы образец -детектор. Чем больше это расстояние, тем лучше разрешение по углу, однако вместе с тем падает эффективность измерений.
2
При такой экспериментальной постановке для равномерно рассеивающего образца интенсивность рассеянного пучка спадает к краям детектора по закону 1/r, где r расстояние от оси пучка.
Рассеянные на образце под малым углам тепловые нейтроны попадают в концентрические кольца детектора. В зависимости от угла рассеяния нейтроны попадают в соответствующий детектор и взаимодействуют с газовым наполнением гелия-3 и аргона по реакции:
3
n+Не→р+Т+763.77 кэВ
Приложенная разность потенциалов в детекторе создает поле между катодом и анодом, в котором происходит газовое усиление продуктов ионизации, создаваемых протонами и тритонами указанной реакции. С анодного и катодного вывода снимаются сигналы, которые поступают на аналоговую электронику, расположенную на 16-ти печатных платах на расстоянии 4 мм от колец.
Аналоговая электроника подключена с помощью разъемов типа ШР-19 к системе накопления данных для дальнейшей обработки и визуализации.
Разработанный двухкоординатный детектор позволяет повысить точность определения местоположения неоднородностей в исследуемом образце, путем введения второй координаты при изучении образцов различной природы: структуры разупорядоченных объектов, коллоидных образцов, биологических молекул в растворе, кристаллических веществ, кластерных структур жидкостей и аморфных тел, пор в различных пористых материалах и т.д.
Новая координата позволяет проводить измерения и по азимутальному углу, представляющему отклонение рассеяния нейтронов в условно выбранной координатной системе (ортогональной или полярной), лежащей в плоскости, перпендикулярной оси нейтронного пучка и с началом в точке пересечения этой оси и плоскости.