УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Заявляемый объект относится к астрономической технике и предназначен для регистрации потока нейтронов космического излучения в режиме орбитального полета или при свободном движении в космическом пространстве. Выброс нейтронов происходит, например, при солнечных вспышках. Целью настоящей работы является создание устройства, обеспечивающего возможность регистрации потока быстрых нейтронов космического излучения, возникающего, например, при вспышках на Солнце, а также определение энергии и направления прихода регистрируемых нейтронов. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении габаритов устройства и веса.
Он достигается тем, что в устройстве для регистрации быстрых нейтронов космического излучения, содержащем детектор, имеющий пространственное разрешение, возможна подробная фиксация энерговыделения, места упругого взаимодействия нейтрона с ядрами водорода составляющего примерно 50% состава трекового сцинтилляционного годоскопа, как для первичного нейтрона, так и для вторичных продуктов, как от первого, так и от второго, и т.д., актов упругого рассеяния нейтронов, внутри всего объема детектора. Минимально необходимы два последовательных упругих рассеяния быстрых нейтронов для полного восстановления кинематики рассеяния и характеристик первичного нейтрона.
Известны Комптон телескопы, которые были спроектированы и работали в астрофизических наблюдениях. К таким приборам относится COMPTEL Gamma Ray Telescope, запущенный в 1991 году в составе космической обсерватории с названием Комптон Гамма Обсерватория. COMPTEL предназначался для регистрации и определения направления прихода фотонов в диапазоне 0,75-30 МэВ с точностью около градуса. Телескоп COMPTEL мог работать и в режиме регистрации быстрых нейтронов с энергиями выше 10 МэВ. COMPTEL состоит из двух массивов детекторов. В верхней части (D1) массива, установлен жидкий сцинтиллятор и в нижней (D2), используется массив кристаллов NaI.
60
60
Два детектора расположены на расстоянии 1,5 м друг от друга. Каждый детектор полностью окружен тонким антисовпадательным щитом из пластического сцинтиллятора, который запрещает регистрацию заряженных частиц. По бокам телескопа, между двумя детекторами, расположены два небольших детектора сцинтилляционных, содержащие слабые источники Со, используемые в полете для калибровки прибора. Каждый источник калибровки состоит из цилиндрической части Со-легированного пластического сцинтиллятора, просматриваемый двумя фотоэлектронными умножителями (ФЭУ).
2
2
Верхний детектор (D1) состоит из 7 модулей цилиндрических жидкого сцинтиллятора NE и просматривается восемью фотоэлектронными умножителями. Нижний детектор (D2) состоит из 14 цилиндрических NaI (Т1) блоков толщиной 7,5 см и диаметром 28 см, которые крепятся на опорной плите. Каждый блок NaI просматривается снизу семью ФЭУ. Общая площадь верхнего и нижнего детектора составляет соответственно 4188 см и 8620 см.
Для регистрации реальных нейтронов прибору необходимо срабатывание одновременно в двух сцинтилляторах, в верхнем и нижнем слоях детекторов. Нейтроны, после упругого рассеяния на ядрах водорода в верхнем сцинтилляторе, оставив в нем энергию Е1, поглощаются в нижнем сцинтилляторе, оставляя в нем энергию Е2. Для нейтронов минимальная величина Е1 была выбрана равной или больше 1,1 МэВ. Зная эти две величины, Е1 и Е2, а также координаты точек выделения энергий Е1 и Е2, можно определить полную энергию пришедшего нейтрона и угол упругого рассеяния нейтрона θ. Зная положения места взаимодействия в детекторах, в которых были зарегистрированы события, инициированные пришедшим нейтроном, можно определить кольцо направлений на небе, из которого пришло зарегистрированное событие. Одним из условий регистрации нейтрона является практически строгое совпадение времен регистрации событий в двух детекторах (с задержкой всего в несколько наносекунд), а также примерное равенство 90° угла рассеяния θ. При выполнении этих условий большая часть фоновых событий в детекторе эффективно подавляется. Проанализировав большое количество событий с информацией о «кольцах» прихода нейтронов, можно восстанавливать карту неба с угловым разрешением порядка нескольких градусов.
Недостатком такого Комптон телескопа (COMPTEL) является то, что он имеет очень большой вес и габариты, а также и большой уровень фона, связанный прежде всего с регистрацией космических и атмосферных фотонов рентгеновского и гамма-излучения, а также и вторичных нейтронов от взаимодействия протонов космического излучения с веществом детекторов телескопа, а также малую эффективность регистрации полезных событий, поскольку для регистрации требуется одновременно взаимодействие первичного нейтрона в верхнем слое детекторов и отсутствие взаимодействия в нем вторичного, рассеянного нейтрона. Совокупность этих факторов приводит к значительному увеличению габаритных размеров прибора для обеспечения необходимой эффективной площади телескопа.
Вторым прототипом предлагаемой полезной модели служит прибор SEDA-AP, летавший в составе японского научного модуля МКС (JEM-ISS). В этом приборе использовалась упрощенная, а потому неточная схема регистрации нейтронов, по которой требуется однократное рассеяние космического нейтрона с веществом волоконного детектора. При этом теряется информация о направлении первичного нейтрона, а его энергия оценивается только по длине трека, т.е., по энергии рассеянного протона.
Задачей настоящей работы является создание устройства (космического телескопа), обеспечивающего возможность регистрации потока нейтронов космического излучения, возникающего, например, при вспышках на Солнце, а также определение энергии и направления прихода регистрируемых нейтронов. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении габаритов и веса устройства.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается устройство для регистрации быстрых нейтронов космического происхождения, включающее многослойный детектор, полупроводниковые фотоумножители, соединенные со средством измерения параметров взаимодействия нейтронов с веществом детектора. Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что детектор выполнен из чередующихся слоев, при этом каждый слой содержит одинаково ориентированные волокна, выполненные из прозрачного сцинтиллирующего полимера, причем светочувствительные поверхности фотоэлектрических умножителей обращены к торцам волокон, а фотоумножители представляют собой позиционно-чувствительные полупроводниковые фотоэлектрические умножители, регистрирующая поверхность единичного полупроводникового элемента идентична площади торца волокна сцинтиллирующего полимера. Применение в изделии полупроводниковых фотоэлектрических умножителей, регистрирующая поверхность элементов которых идентична площади торца волокна сцинтиллирующего полимера, позволяет создать регистрирующий детектор (сцинтиллятор + приемник света) в простом прямоугольном габаритном исполнении, что упрощает светоизолирующую конструкцию детектора и приводит к уменьшению массы и габаритов устройства.
Дополнительно предлагается выполнять волокна в виде двухслойных световодов, при этом направление волокон в каждом следующем слое находится под прямым углом по отношению к направлению волокон в предыдущем и в последующем слоях.
Волокна могут быть выполнены прямоугольного сечения, с поперечным размером от 0,25 до 3,0 мм.
Средство измерения параметров взаимодействия нейтронов с детектором представляет собой блок фиксации времени возникновения сцинтилляционного эффекта, блок фиксации координат возникновения сцинтилляционного эффекта, блок фиксации энергии взаимодействия частиц.
Дополнительно средство измерения параметров взаимодействия нейтронов с детектором предлагается соединять с вычислителем.
Предлагаемая схема устройства для регистрации быстрых нейтронов, представленная на чертеже (фиг. 1) состоит из:
1 - многослойный детектор,
2 - кремниевые фотоэлектрические умножители по оси X,
3 - средство измерения параметров события взаимодействия нейтронов с детектором,
4 - кремниевые фотоэлектрические умножители по оси Y,
5 - волокна многослойного детектора,
6 - блок фиксации времени возникновения сцинтилляционного эффекта,
7 - блок фиксации координат возникновения сцинтилляционного эффекта,
8 - блок фиксации энергии взаимодействия частиц.
9 - вычислитель.
Для регистрации быстрых нейтронов в многослойном детекторе (1) используется набор сцинтилляционных светопроводящих волокон (5), расположенных слоями, причем в соседних слоях ориентация волокон (5) перпендикулярна друг к другу. Нейтроны, падающие на детектор (1), взаимодействуют с веществом волокон (5) путем не менее двух последовательных актов упругого рассеяния, в результате чего внутри детектора (1) происходит практически одновременное выделение энергии в нескольких точках, относящихся к разным волокнам (5). В этих точках происходят световые вспышки, которые фиксируются позиционно-чувствительными полупроводниковыми фотоприемниками (2, 4), расположенными с торцов волокон (5). Таким образом, для каждого акта рассеяния нейтрона, в котором образуется протон с энергией больше заданной минимальной энергии, одновременно возникает несколько электрических импульсов на выходе полупроводниковых фотоприемников (2, 4), причем, каждый из этих сигналов может быть сопоставлен с одним из волокон, что позволяет определить координаты всех точек энерговыделения протона, по которым можно грубо оценить траекторию движения рассеянного протона. Амплитуда сигналов позволяет оценить энерговыделение в каждой из точек энерговыделения, что, вместе с информацией о координатах и времени двух, или более, последовательных актов упругого рассеяния нейтрона, дает возможность реконструкции не только энергии, но и направления прихода первичного космического нейтрона. Такая реконструкция производится путем численных расчетов процессором вычислителя (9), получающего сигналы от средства измерения параметров события взаимодействия нейтронов с детектором (3), состоящего из блока фиксации времени возникновения сцинтилляционного эффекта (6), блока фиксации координат возникновения сцинтилляционного эффекта (7), блока фиксации энергии взаимодействия частиц (8). По результатам расчетов устройство фиксирует в своей памяти подробную информацию об энергии, направлении прихода и времени регистрации каждого космического нейтрона. Время регистрации первого акта рассеяния нейтрона в сопоставлении со временем регистрации второго акта рассеяния нейтрона, позволяет определять энергию вторичного нейтрона, упруго рассеянного в первом акте взаимодействия космического нейтрона.