ГАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МЕДЛЕННЫХ И БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОЙ ВНЕШНЕЙ РАДИАЦИИ

Полезная модель относится к детекторам элементарных частиц и может быть применена для регистрации нейтронов в физических экспериментах, а также в атомной энергетики (в зонах АЭС, в которых имеется интенсивное гамма-излучение).
4
5
Из уровня техники известны газовые детекторы. Простейшим из них является ионизационная камера [1]. Она представляет собой систему двух электродов в объеме, заполненном инертным газом (чаще всего аргоном и неоном). Если частица полностью останавливается в объеме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Газовое усиление - это увеличение количества свободных зарядов в объеме детектора за счет того, что первичные электроны на своем пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Такой режим работы отвечает пропорциональному счетчику, который конструктивно представляет цилиндр (катод) с центральной металлической нитью (анод). Недостатком является то, что в ионизационной камере постоянное напряжение и газовое усиление приведет к пробою. Пропорциональный счетчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Если еще больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и довести коэффициент газового усиления до 10-10, то в детекторе начинает нарушаться пропорциональность между энергией регистрируемой частицы и величиной собранного заряда. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счетчик частиц. Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объеме свободных носителей зарядов вызовет искровой разряд. При этом амплитуда электрического сигнала с такого счетчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт [1]. Газонаполненные детекторы имеют два недостатка [1]. Во-первых, плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объеме детектора мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе относительно велика (25-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.
2
2
Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трех электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+CH, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролете заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать достигали электродов.
Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению.
Простейшая ионизационная камера представляет собой замкнутый газовый объем, в котором расположены два плоско-параллельных электрода. К электродам прикладывается разность потенциалов U, создающая в рабочем объеме камеры электрическое поле напряженности Е.
Во время движения электронов и ионов к электродам во внешней цепи камеры индуцируется ток, заряжающий емкость С. Нарастание импульса, т.е. зарядка емкости С, прекращается в тот момент, когда все электроны и ионы, созданные в газе камеры, достигнут соответствующих электродов. Емкость С заземлена через сопротивление R, величина которого выбирается такой, чтобы с одной стороны, не происходила разрядка емкости С в течение времени, пока идет ее зарядка током, идущим через камеру, а с другой стороны, емкость С успела бы почти полностью разрядиться к моменту попадания в камеру следующей частицы. Таким образом, сопротивление R выбирается так, чтобы Т<<RC<<Δt, где Т - время собирания зарядов, a Δt - временной интервал между импульсами.
3
3
Время собирания зарядов, образованных частицей в газе камеры, зависит от скорости их движения к электродам, так называемой скорости дрейфа, причем скорость дрейфа электронов и ионов различна из-за разницы в их массах (так, скорость дрейфа электронов в ~10 раз больше, чем ионов, а время собирания электронов в ~10 раз меньше). Амплитуда импульса обусловлена двумя составляющими - электронной и ионной, причем вклад в полную амплитуду импульса зарядов того или иного знака определяется отношением пройденной ими разности потенциалов к полной разности потенциалов, приложенной к электродам камеры.
Характер работы ионизационной камеры существенно зависит от величины напряжения U, приложенного к электродам [1].
3
4
Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией <10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя. Наиболее близким решением является пропорциональный счетчик [1], в котором используется механизм газового усиления. При этом к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Коэффициент газового усиления может достигать 10-10. В названии пропорциональный счетчик отражено то, что в этом приборе полный собранный заряд остается пропорциональной энергии, потерянной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счетчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.
Конструктивно пропорциональный счетчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно большую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт в зависимости от радиуса нити напряженность поля вблизи анода может достигать 40000 вольт/см., в то время как у катода она равна сотням в/см.
4
Если еще больше довести коэффициент газового усиления до значений >10, то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной регистрируемого заряда. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счетчик частиц.
Временное разрешение пропорционального счетчика может достигать сотни наносекунд. Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объем счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергиями, меньшими 20 кэВ больше 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон. В целом газовые детекторы, действующие в пропорциональном режиме газового усиления, широко применяются для регистрации нейтронов в интервале энергий 10 кэВ - 20 МэВ [2]. В качестве рабочего газа используются водородосодержащие газы (метан, этилен и т.п.) и основной вклад во взаимодействие нейтронов с газом есть упругое рассеяние нейтронов на протоне. При наличии внешней радиации гамма-кванты взаимодействуют со стенками детектора и возникающие при этом электроны пронизывают газовый объем детектора. Сигналы от этих электронов являются фоном при регистрации протонов отдачи. Треки протонов отдачи отличаются от треков электронов по степени ионизации электрон-ионных пар вдоль трека, что проявляется в форме электрических сигналов, и это является основой режекции внешней радиации. Если фоновый электрон движется параллельно анодной нити, то режекция невозможна. Поэтому рабочее положение детектора такое, когда пучок нейтронов направлен перпендикулярно боковой поверхности детектора.
Максимальный допустимый гамма-фон не превышает 0.05 рад/час для практических установок.
Технический результат заявленной полезной модели: возможность функционирования детектора нейтронов в условиях рекордно интенсивного гамма-фона (до 100 рад/час);
использование более простой и быстрой электроники для регистрации нейтронов и режекции сигналов от фоновых электронов как по амплитуде, так и по форме импульсов;
возможность увеличения регистрации нейтронов (скорости счета).
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в детекторе нейтронов режим пропорционального газового усиления заменен на постпропорциональный режим - режимы ограниченной пропорциональности и самогасящийся режим (СГС-режим) [3], при которых образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. Вероятность образования СГС-сигналов зависит от степени ионизации вдоль трека и геометрического положения трека в газовом обеме. Для электронов максимальная степень ионизации будет в конце трека, когда электрон останавливается и фоновые электроны дадут СГС-сигналы, если они летят перпендикулярно анодной нити (или под небольшими углами к ней) и останавливаются внутри детектора. В остальных случаях сигналы от электронов будут в пропорциональной моде газового усиления. Протоны отдачи в этой области энергий нейтронов имеют степень ионизации по крайней мере в несколько раз больше, чем максимальная степень ионизации от электрона и следовательно меньший пробег. Поэтому вероятность стримерного режима для протонов близка к единице. Величина выходного анодного СГС-сигнала достаточно велика (0.6÷1.0 мА) и легко выделяется от пропорциональных сигналов. Например, внешняя радиация дозой 100 рад/час выразится в протекании анодного тока ~1 мкА при коэффициенте газового усиления в пропорциональной моде ~100.
Конструктивное устройство газового детектора показано на Фиг.
Газовый детектор для регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, содержащий корпус (4) в виде цилиндрической трубки, заполненный газом, внутри которой посередине расположен анод (1), по контуру трубки катод (2), подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор (3), отличающийся тем, что содержит входное окно (5), выполненное из бериллия, через которое пучок нейтронов попадает в детектор, а сам детектор выполнен с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. Кроме того, анод подключен через сопротивление не менее 50 Ом на землю.
Сопротивление 50 Ом стандартное, - и представляет собой волновое сопротивление кабеля, которое используется в быстрой электронике, ведь сигналы в СГС-режиме пара десятков нсек. Пучок нейтронов попадает в детектор через входное окно. В водородосодержащихся газах наблюдается отчетливый СГС-режим, и из большого набора газов можно выбрать приемлимый газ с оптимальными дрейфовыми характеристиками. Конструктивное отличие детектора в СГС-режиме от пропорционального счетчика заключается в диаметре анодной проволоки - если для пропорционального счетчика диаметр анодной проволоки 10~20 мкм, то для счетчика в СГС-режиме 80~100 мкм.
Конструктивно детекторы в пропорциональном и СГС режимах различаются только диаметром анода, но физика разная. В пропорциональном режиме размножение начинается на расстоянии ~1 мкм от поверхности анода, коэффициент газового усиления 10~100, длительность импульса больше 100 нсек и предъявляются жесткие требования к уровню шумового сигнала предусилителя. В СГС-режиме размножение начинается на расстоянии ~50 мкм от поверхности анода и основную роль в образования СГС-сигнала играет образованное электрическое поле ионов. Вероятность образования СГС-сигнала зависит от дрейфовых характеристиках газа, анодного напряжения, от удельной и полной ионизации регистрируемой частицы и геометрического расположения трека в газовом объеме.
Механизм возникновения СГС-сигнала состоит в следующем. После образования лавин начальными электронами первичной ионизации (которые находятся ближе всего к аноду) образуется ионное облако ('головка' стримера на расстоянии нескольких мкм от поверхности анода), которое начинает влиять на газовое усиление последующих электронов, увеличивая его. Происходит лавинообразный процесс и ионное поле препятствует прохождению электронов на анод - это режим ограниченной пропорциональности. Газовое усиление последующих электронов первичной ионизации будет определяться в основном кулоновским полем ионов. Образующиеся электроны будут собираться в 'головке' стримера, нейтрализую ее. Если при нейтрализации 'головки' суммарное кулоновское поле ионов и электронов в 'головке' станет меньше напряженности на поверхности анода, то они уйдут на анод. Если имеются избыточные электроны вне 'головки' стримера, то они будут собираться в 'головке' и уходить из 'головки' на анод - это есть СГС-сигнал. Амплитуда СГС-сигнала больше 0.1 мА, а длительность ~20нсек, т.е. никаких проблем для обычной ядерной электроники. Режекция протонов отдачи от электронов фона основана на том, что из-за различной удельной ионизации и длин трека, подавляющая часть электронов дадут сигналы в пропорциональной моде усиления, а протоны - в СГС-режиме (различие в газовом усилении 4-5 порядка). В пропорциональном режиме ('тонкий' анод) влияние внешнего гамма-фона ограничивается наложением сигналов со всей длины анодной проволоки. Фоновые электроны образуются из-за фото-эффекта и Компон - эффекта при взаимодействии гамма-квантов с материалом боковой поверхности детектора. В случае СГС-режима ('толстый' анод) нейтроны попадают в детектор через Ве-окно толщиной ~100 мкм и взаимодействием гамма-квантов с входным окном можно пренебречь из-за низкого Z бериллия. Основной фон будет, если гамма-радиация в месте расположения детектора будет пространственно изотропна.
Влияние гамма-фона выразится в протекании квазипостоянного тока с анода на землю через сопротивление 50 оМ, т.е. в смещении нулевой линии. Пример - для счетчика длиной 10 см и при газовом усилении в пропорциональной моде ~100 внешняя радиация 100 рад/час выразится в протекании тока ~1 мкА.
Возможность увеличения скорости счета реализуется за счет увеличения объема газа в детекторе. Объем газа в детекторе можно повысить за счет увеличения длины анода. В обычных детекторах в пропорциональном режиме есть ограничение на длину анода не только из-за гамма-фона. Увеличение длины анода приводит к увеличению емкости детектора, приведенной ко входу предусилителя, т.е. к увеличению уровня шумов. В СГС-режиме слишком большой сигнал и нет этой проблемы (применяются трубки длиной до 10 м).
В Государственном научном центре Российской Федерации - Институте физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ) газовые детекторы являются одним из основных детекторов при проведении физических экспериментов и накоплен большой опыт в понимании процессов газового усиления.
Источники информации:
1. http://duginov-mirea.narod.ru/off-line/
2. «Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов» (под ред. Ю.А.Егорова). Москва. Атомиздат 1974 г.
3. Г.А.Акопджанов «Постпропорциональный режим газового усиления в цилиндрических счетчиках» ПТЭ, 3 (2008) 51-60