3
2
Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конвертором  Не

Полезная модель (ПМ) относится к области регистрации тепловых и холодных нейтронов (т.х.н.) и предназначена для исследования структуры вещества регистрацией дифракционных спектров в физике конденсированного состояния, а также в прикладных исследованиях.
3
2
0
Изотоп гелия Не в настоящее время это очень дорогой газ, но он является наилучшим конвертором для регистрации т.х.н., который характеризуется большим сечением захвата ядром гелия теплового нейтрона σ(λ)=5333 барн.
1
1
Реакция захвата нейтрона ядром гелия ( Ниже индекс, указывающий заряд ядра, опускается.) сопровождается рождением двух заряженных частиц - тритона (191 кэВ) и протона (573 кэВ) с большим суммарным энерговыделением 764 кэВ:
3
2
2
4
что создает в рабочем (конверсионном) зазоре относительно большой заряд ~30 тысяч первичных электронов в среднем, по которому определяется факт регистрации нейтрона и координаты точки захвата нейтрона. Для увеличения эффективности регистрации нейтронов необходима определенная концентрация ядер в рабочем зазоре детектора, поэтому газ Не используется при относительно высоком давлении. Продукты реакции (1) - две положительно заряженные частицы вылетают из точки захвата нейтрона под углом 180° друг к другу изотропно во всех направлениях. Заряд первичных электронов распределен вдоль треков частиц-фрагментов. Длины пробега фрагментов в газе не одинаковые, что вносит погрешность в определение координат точки захвата нейтрона, т.к. регистрируется центр тяжести образованного заряда. Центр тяжести смещен в сторону пробега более энергичного протона, причем неизвестно, в какую сторону. Это обстоятельство устанавливает предел пространственного разрешения детектора т.х.н. порядка 2-3 мм, которое измеряется как полная ширина на полувысоте. Указанные значения достигаются при увеличении давления газовой смеси, добавлением к гелию многоатомного газа, например, CF. Суммарное давление газовой смеси может составлять 10 атм (на чистом гелии – 30 атм)( Cuello G. J., et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2016. P. 746. DOI: 10.1088/1742-6596/746/1/012020).
С увеличением давления газовой смеси необходимо пропорционально увеличивать напряжение, т.к. скорость дрейфа электронов и коэффициент лавинного умножения зависят от отношения Е/р, где Е - напряженность электрического поля, р - давление газа.
Пренебрегая потерями нейтронов в материале входного окна (случай тонкостенной трубки), эффективность детектора можно оценить по формуле:
1
A
A
1
0
0
0
0
3
Здесь N=N⋅ρ/A - постоянная Авогадро, N - постоянная Авогадро, А=3 - атомная масса гелия, ρ=А/22.4/1000=0.000134 [г/см] - плотность гелия при нормальных условиях, N⋅σ(λ)/λ=0.0796, σ(λ)=5333 барн - сечение захвата ядром гелия теплового нейтрона с длиной волны λ=1.8  λ - длина волны нейтрона  t - толщина слоя конвертора [см], р - давление [атм]. Если произведение λ⋅t⋅p>20, то ∈>80%. Для пространственного разрешения 2 мм давление газа должно быть не менее 5 атм, тогда, например, эффективность ∈ ~ 80% можно получить для λ=4  и t=5 см при давлении р=1 атм, но для λ=1  и t=1 см давление потребуется р=20 атм.
Эффективность существенно снижается, если входное окно толстое, например, 1-2 см при высоких давлениях газа, достигающих 10 атм.
3
Известны проволочные двухкоординатные детекторы тепловых и холодных нейтронов (т.х.н.) с газовым конвертором Не, на которых построено наибольшее количество нейтронных дифрактометров, например, [1] (Radeka V. et al. High-performance, imaging, thermal neutron detectors //Nucl. Instr. and Meth. A419,1998, p. 642-647).
Проволочный детектор выполняется в виде монодетектора и состоит из герметичного корпуса с газовым рабочим зазором, образованным между входным и выходным окном корпуса, в котором размещены проволочные электроды: анодные и катодные проволочки многопроволочной пропорциональной камеры.
Элементами умножения первичного заряда здесь являются тонкие проволочки с большой напряженностью электрического поля в окрестности, соизмеримой с радиусом проволочек порядка 10 мкм. Координаты определяются по номеру проволочки.
Достоинством проволочных камер является высокое пространственное разрешение по обеим координатам X и Y, которое определяется шагом проволочек, составляющим 2-3 мм.
Однако апертура такого монодетектора не превышает 500-600 мм по причине высокого давления на входное окно, достигающего десятков тонн давлении газа до 10 атм. При таком давлении толщина входного окна составляет 1-2 см, что заметно снижает эффективность регистрации т.х.н.
3
Серьезным недостатком монодетектора является сложность в ремонте, т.к. требуется полная разгерметизация, а после ремонта - чистка всего объема детектора и заполнение его рабочей газовой смесью с гелием (изотоп Не - очень дорогой газ).
3
Известны детекторы т.х.н с газовым конвертором Не, выполненные на микростриповом газовом счетчике (Micro-Strip Gas Counter - далее MSGC) [2] (Oed А., Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplication with gas. Nucl. Instr. And Meth. A263, 1988, p. 351-359), на которых также построены многие нейтронные дифрактометры с большим быстродействием при лучшем пространственном разрешении по обеим координатам по сравнению с проволочными камерами. Детектор выполняется по технологии фотолитографии на подложке из оптического стекла 15 толщиной 0.5 мм. В MSGC элементами умножения первичного заряда являются тонкие и узкие стрипы, выполняющие роль анода, ширина и толщина которых такие, как и диаметр анодной проволочки в проволочной камере ~ 10 мкм. Главной особенностью конструкции MSGC является то, что расстояние от анода до катода уменьшено до 50 мкм (в MWPC это - миллиметры). В результате положительные ионы намного быстрее удаляются из зоны анод-катод, как следствие, быстродействие MSGC увеличивается почти в 100 раз.
Координаты определяются по номеру сработавшего стрипа.
Следует подчеркнуть, что при электрических пробоях в газе узкие стрипы могут оборваться - серьезный недостаток конструкции и принципа работы микростриповых счетчиков.
Эти детекторы также выполняются в виде монодетекторов, как и проволочные сложны в ремонте и им присущи те же недостатки, в частности - ограниченная апертура 500 мм из-за высокого давления газа.
3
Известны детекторы т.х.н с газовым конвертором Не, выполненные на пропорциональных счетчиках-трубках [3] (Yelon W.B., et al. Experimental Dead Time Corrections for a Linear Position-Sensitive Proportional Counter // Nucl. Instr. and Meth, 1984, A226, p. 421-423); [4] (Makino S., et al. Development of High-Counting-Rate Measurement System for 3He Position Sensitive Detector // IEEE Nucl. Sci. Sympos. Conf. Record. 2008).
Элементами умножения первичного заряда здесь являются тонкие проволочки с большой напряженностью электрического поля, размещенные по оси трубки с выводами на торцы трубки. Координата определяется делением заряда вдоль проволочки.
Для построения дифрактометров используют много трубок - мультидетектор (multi-tube array). Мультидетектор отличается высокой ремонтопригодностью по сравнению с монодетектором, т.к. проблемная трубка легко заменяется другой трубкой при ремонте, при этом не требуется разгерметизация всего объема мультидетектора, сокращается время простоя дифрактометра.
3
3
Самым большим достоинством трубки является то, что она хорошо держит давление 10-30 атм, оставаясь тонкостенной, меньше миллиметра. А это значит, что на трубках можно увеличить апертуру детектора т.х.н до метра и более по вертикали (D. Raspino, et al. A large area neutron detector array for the LET instrument at ISIS. 2015 IEEE Nuclear Sci. Symposium and Medical Imaging Conf. DOI: 10.1109/NSSMIC.2015.7581915), что исключено в монодетекторах на проволочных и микростриповых камерах.
Однако серьезным недостатком известного решения является низкое пространственное разрешение, порядка 1 см (типичное значение), вдоль трубки, измеряемое делением заряда вдоль проволочки с погрешностью порядка 1% от длины трубки, а поперек трубки - равно диаметру трубки.
3
Прототипом двухкоординатного детектора т.х.н. с газовым конвертором Не является [5] (Fujita K., et al. // IEEE Nucl. Sci. Sympos. Conf. Record. 2006), выполненный на микростриповом счетчике (MSGC) на каптоне - полиимидной пленке, свернутом в полу-трубку и установленном внутрь металлической трубки-корпуса на дальней стенке (относительно траектории нейтронов) с выводами на торцы трубки.
Такая конструкция у прототипа позволила улучшить пространственное разрешение вдоль трубки до 3 мм при длине трубки 640 мм (0.46% от длины трубки), при этом сохранено высокое быстродействие, присущее принципу MSGC, превышающее быстродействие проволочной трубки.
Однако, при этом пространственное разрешение поперек трубки-прототипа низкое, равно диаметру трубки, 15 мм.
3
Техническим эффектом ПМ является повышение пространственного разрешения по обеим координатам двухкоординатного детектора т.х.н. с газовым конвертором Не и выполненном в виде трубки при одновременном повышении надежности, но с сохранением положительных свойств, присущих металлической трубке - тонкая стенка при высоком давлении газа (что позволяет увеличить апертуру детектора до метра и более, высокая ремонтопригодность мультидетектора заменой проблемной трубки), с сохранением высокого быстродействия, присущего прототипу.
3
3
2
Технический эффект ПМ достигается тем, что двухкоординатный детектор т.х.н. с газовым конвертором Не, содержащий герметичный корпус в виде металлической трубки, заполненный под давлением газовой смесью Не с многоатомной добавкой, в котором размещены элементы умножения первичного заряда и элементы регистрации координат вторичного заряда, выполненные на гибкой плате, свернутой в полу-трубку и размещенной на дальней стенке металлической трубки с выводами на торцы трубки, новым является то, что элементы умножения первичного заряда и элементы регистрации координат вторичного заряда выполнены на гибком газовом электронном умножителе (ГЭУ) колодезного типа с резистивным анодом.
Повышение пространственного разрешения по обеим координатам двухкоординатного детектора т.х.н. в предлагаемом техническом решении достигается тем, что регистрируется номер сработавшего отверстия ГЭУ, в котором происходит умножение первичного заряда с образованием пропорционального ему вторичного заряда. Первичный заряд, возникающий при захвате нейтрона ядром гелия, как бы "проецируется" на сетку отверстий. Отверстия в гибком ГЭУ колодезного типа имеют одинаковый шаг по обеим координатам X и Y. Номер сработавшего отверстия, в котором происходит умножение первичного заряда, определяется при помощи системы взаимно ортогональных стрипов X и Y - элементов регистрации координат вторичного заряда.
При этом одновременно повышается надежность детектора, т.к. надежность элементов умножения первичного заряда в предлагаемом решении выше - отверстия с диаметром и глубиной порядка 200 мкм против узких ~ 10 мкм стрипов в прототипе. При электрических пробоях узкие стрипы могут оборваться.
3
4
4
5
5
2
Принцип действия выполненного в виде трубки двухкоординатного детектора т.х.н. с газовым конвертором Не, с применением гибкого ГЭУ колодезного типа с резистивным анодом представлено на фиг. 1. В качестве резистивного материала анода могут быть применены различные материалы с большим поверхностным сопротивлением, например, 10-100 МОм/квадрат, допускающие изгиб (например, смесь графита с эпоксидным клеем толщиной 10-20 мкм)( Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv: 1305.1585v1, Nucl. Instr. and Meth. A 732(2013)199-202). Более надежным резистивным материалом является алмазоподобный углерод (АПУ) в виде очень тонкой пленки толщиной, например, 120 нм, который наносится вакуумным способом(Yi Zhou et al. Production and performance study of Diamond-Like Carbon resistive electrode in MPGD. Nucl. Instrum. Meth. A 958 (2020). DOI: 10.1016/j.nima.2019.162759) на гибкую подложку, в частности, на полиимидную пленку - каптон.
3
2
Предлагаемый двухкоординатный детектор т.х.н. с газовым конвертором Не состоит из металлического герметичного корпуса в виде трубки 1 и размещенной на дальней относительно траектории нейтронов стенке гибой многослойнолй платы 2, в глухих отверстиях-колодцах которой происходит умножение первичного заряда и регистрация координат пропорционального вторичного заряда. Слева показано, что точка захвата нейтрона ядром гелия в виде первичного заряда как бы "проецируется" на отверстия ГЭУ, где усиливается. Справа показано, что печатная плата прижимается к стенке трубки высоким давлением газа, которое может достигать 10-30 атм в зависимости от длины волны нейтронов и требуемых эффективности и пространственного разрешения детектора, см. (2).
Фиг. 2 поясняет устройство гибкой многослойной печатной платы в разрезе, составляющей основу ГЭУ колодезного типа с резистивным анодом, где 3 - первый электрод, выполненный на односторонней фольгированной полиимидной пленке (кантоне) со сквозными отверстиями - 4, этот электрод выполнен в виде стрипов X с ориентацией вдоль трубки; 5 - второй электрод, выполняющий функцию резистивного анода в виде сплошного резистивного слоя, нанесенного сверху на проводящую печатную решетку дополнительной платы 6, выполненной на каптоне, с решеткой 7 - с одной ее стороны и стрипами Y, ориентированными поперек трубки - с другой; 9 - препрег и 10 - нефольгированный каптон заканчивают многослойную структуру и изолируют ее внутренние части от металлического корпуса трубки.
На Фиг. 3 показано, что стрипы X расположены вдоль оси трубки и соединяются последовательно в микрополосковую ЛЗ. Они шире стрипов Y, которые располагаются поперек трубки. При этом Y стрипы расположены по центру отверстий. Стрипы Y сначала объединяются, например, по 4 штуки параллельно, а затем соединяются последовательно в микрополосковую ЛЗ. Таким образом, на торцы выводятся по два конца каждой ЛЗ (X1, Х2), (Y1, Y2) и "земли", роль которой выполняет решетка 7.
На Фиг. 4 показано, как подаются напряжения на электроды структуры: на первый электрод 3 подается положительный потенциал +V1 (Х-стрипы, любой из концов ЛЗ), на второй электрод +V2 (решетка 7), на Y-стрипы подается потенциал V=0 со входа усилителей 11. Сигналы с электродов 3 и 7 подаются на усилители 11, 12 через разделительные конденсаторы, т.к. на них высокое напряжение. Корпус является катодом детектора с потенциалом V=0 (земля детектора).
Как отмечалось, в качестве резистивного анода в предлагаемом техничесчком решении применен алмазоподобный углерод в виде пленки 120 нм.
Суммарная толщина многослойной платы, например, 250 мкм, допускает необходимую гибкость такую, что плату можно согнуть в полу-трубку с диаметром, например, 20 мм. При шаге и диаметре отверстий ГЭУ, например, 500 мкм и 200 мкм, соответственно, поверхностное сопротивление резистивного слоя АПУ толщиной 120 нм составляет 25 МОм/квадрат. АПУ нанесен напылением в вакууме на печатную решетку, выполненную с шагом, равным шагу отверстий ГЭУ.
Задача выбора указанных выше числовых значений имеет оптимум: шаг отверстий ГЭУ и решетки, а также поверхностное сопротивление резистивного слоя связаны. При малом сопротивлении резистивного слоя, т.е. при быстром растекании заряда, и слишком "густой" решетке возникает эффект экранирования сигнала на стрипах Y, размещенных ниже резистивного слоя. При слишком "редкой" решетке снижается быстродействие из-за увеличения времени стекания заряда с резистивной поверхности.
6
6
Длина детектирующей трубки может составлять 1 метр(Технология печатных плат допускает изготовление гибких плат с размерами одной из сторон 1 метр.) при пространственном разрешении ~ 2 мм по обеим координатам, что лучше, чем в прототипе. Предельное пространственное разрешение ГЭУ вообще определяется шагом отверстий ГЭУ, например, 0.5 мм. Подчеркнем, что возможен и меньший шаг отверстий ГЭУ, но для повышения пространственного разрешения это представляется избыточным из-за отмеченного выше предела по пробегу протона в газе.
Расчеты показывают, что при длине трубки 1 метр и ее диаметре 20 мм длина микрополосковой ЛЗ составляет 16 метров при шаге стрипов 2 мм и 10 метров при шаге стрипов 3 мм. Затухание в такой ЛЗ не более 6 дБ, что вполне приемлемо. Для надежной регистрации сигналов над шумами в предлагаемом детекторе т.х.н. достаточно газового усиления 10-30.
Предложенный детектор сохраняет высокое быстродействие за счет того, что радиус стекания заряда электронов по поверхности АПУ до его рекомбинации на решетке составляет половину шага отверстий ГЭУ, например, s=0.5 мм. Время стекания заряда определяется поверхностным сопротивлением резистивного слоя R и радиусом стекания r=s/2:
0
7
2
где ∈=8.85 пФ/м - электрическая постоянная. Для s=0.5 мм и  получим Т=110 нс, что с обеспечивает быстродействие ~10 Гц/см, что в 100 раз выше проволочных детекторов и выше чем у прототипа. Распространение сигналов вдоль ЛЗ со скоростью 5 нс/м не вносит ограничения в указанное быстродействие.
3
3
2
3
8
Предлагаемый двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конвертором Не работает следующим образом. Нейтрон, проникающий в рабочий (конверсионный) объем трубки с газовым конвертором Не, в любом месте по глубине может быть захвачен ядром гелия. При этом рождается два заряженных фрагмента - протон и тритон, которые в соответствии с энергией 764 кэВ, выделенной реакцией (1), ионизируют атомы газа. В результате в рабочем зазоре возникает первичный заряд ~ 30 тысяч пар электро-ион (5 фКл). Если выбрать соответствующее давление газовой смеси гелия и многоатомной добавки, например, пропана (CH), то первичный заряд можно свести к точечному, например, 2 мм (диаметр "шара", сократив пробеги). Первичный заряд электронов дрейфует вдоль линий электрического поля (см. Фиг. 1) к отверстиям ГЭУ. Корпус детектора выполняет роль катода. Разность потенциалов между первым электрода ГЭУ +V1 и вторвым +V2 (V2>V1) создает рабочее напряжение и напряженность электрического поля внутри отверстий ГЭУ такую, при которой возникает лавинное умножение электронов. Возникающий вторичный заряд больше первичного, например, в 10-100 раз (коэффициент газового умножения). Этот заряд состоит из двух компонент - электронной и ионнной. Электронный заряд "садится" на резистивный слой, ионный дрейфует в сторону катода. Разделенные еще в отверстии полем электронная и ионнная компоненты вторичного заряда и их движение индуцируют сигналы на электродах 3, 7 и 8, причем отрицательной полярности на 7 и 8 и положительной - на 3. Положительная полярность сигналов индуцирется на электроде 3, т.к. электроны удаляются от него, а положительные ионы приближаются к нему. Отрицательная полярность сигналов индуцирется на электродах 7 и 8, т.к. электроны приближаются, а положительные ионы удаляются. Основной вклад в наведенный сигнал создает электронный заряд. При достаточно широкополосном усилителе амплитуда быстрой электронной компонентаы существенно больше уровня медленной ионной компоненты (хвоста импульса). Если первичный заряд умножить на коэффициент газового усиления, например, 20, то получим вторичный заряд ~100 фКл - достаточно большой по сравнению с тепловыми шумами электроники (~1 фКл).
Следует подчеркнуть, что для измерения координат сработавшего отверстия можно пирменить различные способы и схемы. Поясним, в качестве примера, как измеряются координаты X и Y с помощью ЛЗ. Могут быть применены резистивные также делители, тогда схема может отличаться от той, что приведена на Фиг. 4.
7
7
На рисунке Фиг. 4 показана блок-схема электроники детектора, выполненного на трубке, со съемом кооридинатной информации прри помощи ЛЗ. Сигнал, возникающий на решетке 7 - общий сигнал, который можно использовать для накопления амплитудных спектров. Кроме того, он является "стартом" для преобразователя время-код. Сигналы на стрипах 3(Х1, Х2) и 8 (Y1, Y2) и общий сигнал появляются на торцах трубки - всего 5 сигналов, преобразуются в цифровые импульсы, усилителями 11, 12 и дискриминаторами 13. Предположим, что применяется время-цифровой преобразователь 14, выполненный на ПЛИС - Прогораммируемая Логическая Интегральная Схема, с временным разрешением 100 пс. Тогда, измерение временных интервалов от "старта" (общий сигнал 7) до "стопов" X1, Х2, Y1, Y2 позволяет определить номер сработавшего стрипа с ошибкой 2 см (соответствующей разрешению измерителя, 100 пс). Однако, ошибка на стрипе в 2 см соответствует ошибке не больше шага отверстий ГЭУ. Современный технический уровень позволяет получить и лучшее чем 100 пс разрешение(https://indico.cern.ch/event/225547/attachments/370776/515889/20130526_perktold_ESE-TDC-seminar.pdf) время-цифровых преобразователей.
Для амплитудных спектров на Фиг. 4 показан аналого-цифроой преобразователь 15. Усилитель 11 - зарядочувствительный с большой динамической входной емкостью, усилители 12 - токовые со входным сопротивлением равным волновому сопротивлению микростриповых ЛЗ.
3
На рисунке Фиг. 5 показана эффективность регистрации нейтрона детектором с газовым конвертором Не, полученное по формуле (2). Как видно, эффективность трубки в поперечном направлении меняется до нуля, т.к. меняется толщина t конверсионного слоя (по горизонтальной оси Фиг. 5 отложено произведение λ⋅t⋅p).
Во многих задачах нейтронной дифрактометрии изменение эффективности поперек трубки допустимо (см. сноски 2 и 3, приведенные выше). Очевидно, что однородность эффективности в горизонтальной плоскости (предполагается, что трубки располагаются вертикально) существенно улучшается введением второго слоя трубок со сдвигом на полдиаметра.
3
2
Подведем итог: в данной ПМ достигается повышение пространственного разрешения по обеим координатам за счет того, что отверстия в гибком газовом электронном умножителе колодезного типа с резистивным анодом расположены с одинаковым шагом по координатным осям X и Y, составляющим доли миллиметра, например, 0.5 мм. ГЭУ колодезного типа допускает изгиб детектирующей поверхности без изменения коэффициента усиления, пространственного разрешения и других характеристик. Стенка трубки - меньше 1 мм при давлениях газа до 30 атм, как следствие, увеличивается апертура детектора больше 1 метра, не сложный ремонт мультидетектора заменой трубки. При этом введение гибкого ГЭУ одновременно с повышением пространственного разрешения по двум координатам при сохранении высокого быстродействия приводит к увеличению надежности детектора. Для уменьшения числа выводов на торцы трубки стрипы по каждой координате соединяются в микрополосковую линию задержки (ЛЗ). В качестве "земли" микрополосковой ЛЗ используется металлическая печатная решетка из меди, через решетку подается напряжение на АПУ, на нее же стекает заряд с АПУ, что увеличивает быстродействие. Кроме того, сигнал, снимаемый с решетки, является общим для измерения координат при помощи ЛЗ, а также для накопления амплитудных спектров. Шаг стрипов кратно превышает шаг отверстий ГЭУ по двум причинам: во-первых, как отмечалось выше, предельное пространственное разрешение детектора т.х.н. с газовым конвертором Не определяется пробегом в газе протона с энергией 573 кэВ и составляет 2-3 мм (для чего увеличивается давление газовой смеси); во-вторых, при объединении стрипов укорачивается длина микрополосковых ЛЗ, а значит уменьшается затухание сигнала, что важно при большой длине трубки. Дальнейшее увеличение длины больше метра возможно с применением модульного принципа с введением "материнской" гибкой печатной платы, объединяющей модули.
Литература
1. Radeka V., et al. High-performance, imaging, thermal neutron detectors //Nucl. Instr. and Meth. A419. 1998. P. 642-647.
2. Oed A., Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplication with gas. Nucl. Instr. And Meth. A263, 1988, p. 351-359
3. Yelon W.B., et al. Experimental Dead Time Corrections for a Linear Position-Sensitive Proportional Counter // Nucl. Instr. and Meth, 1984, A226, p. 421-423.
4. Makino S., et al. Development of High-Counting-Rate Measurement System for 3He Position Sensitive Detector // IEEE Nucl. Sci. Sympos. Conf. Record. 2008.
5. Fujita K., et al. // 2006 IEEE Nuclear Sci. Symposium Conference Record.
DOI:10.1109/NSSMIC.2006.355979 – прототип.