ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ 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 (дифрактометры, рефлектометры), но может быть применено в нейтронографии и других прикладных и фундаментальных исследованиях.
Газо-наполненные детекторы тепловых и холодных нейтронов состоят из системы электродов, размещенных в герметичном корпусе, заполненном газовой смесью. В качестве конверторов может выступать либо сам газ, либо тонкий слой конвертора, нанесенный на один из электродов - катод или анод, или на оба электрода. В двухкоординатном позиционно-чувствительнои детекторе сигнал снимается с токопроводящих элементов, ориентированных вдоль Х- и Y-координат во фронтальной плоскости детектора (Z - ось пучка).
3
3
3
барн.
Известны двухкоординатные детекторы тепловых и холодных нейтронов, выполненные на базе симметричных проволочных пропорциональных камер, в которых в качестве конвертора нейтронов используется газ Не: Academic Press, 1983. p.129) [1]; Nucl. Instrum. and Methods A581 (2007), p. 123. [2]. Сечение захвата теплового нейтрона с энергией 0.025 эВ (длина волны ) ядром Не довольно высокое и равняется 5330 Однако, для достижения нужной концентрации ядер Не на пути нейтрона с целью получения высокой эффективности регистрации нейтронов в таких детекторах необходимо создавать давление газа 5-10 атмосфер.
3
3
Недостатком детекторов, наполненных Не, является громоздкость конструкции из-за высокого давления, дороговизна газа Не, что привело в 2000-е годы к поиску других способов регистрации тепловых и холодных нейтронов.
10
3
п
барн,
Известны детекторы тепловых и холодных нейтронов: Патент РФ №2282215 «Позиционно-чувствительный детектор нейтронов» [3]; Позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов с борным конвертором. // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т 75, №2. С. 252 [4]. Они работают на недорогих инертных газах и смесях, например на основе аргона, при атмосферном давлении. В этих детекторах для захвата нейтронов используется твердотельный конвертор, например слой бора B. Последний, как и Не, характеризуется большим сечением захвата теплового нейтрона, σ=3840 для нейтрона с энергией 0.025 эВ ().
10
11
7
4
В результате захвата нейтрона ядром В образуется возбужденное ядро В, которое распадается на ядро Li и альфа-частицу Не. Протекающие реакции записываются в виде:
4
7
В скобках указаны энергии продуктов распада и вероятности реакций. Образующиеся заряженные частицы-фрагменты - ядра гелия Не и лития Li вылетают в противоположных направлениях анизотропно с углом между их траекториями равным 180°. Фрагменты теряют часть своей энергии внутри вещества конвертора, оставшаяся энергия расходуется на ионизацию и возбуждение атомов газа при выходе в рабочий объем детектора, что позволяет зарегистрировать сигналы.
10
4
7
мкм
МэВ
мкм
МэВ.
мкм.
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 ядерных продуктов в веществе конвертора. Эта длина зависит от ядра и его энергии, плотности вещества и для бора хорошо известна: 3.27 (4.05) для ядер Не с энергией 1.47 (1.78) и 1.69 (1.90) для ядер лития Li с энергией 0.84 (1.01) Отсюда видно, что толщина конвертора должна быть порядка 1-3 Можно показать, что при такой толщине конвертора эффективность регистрации нейтрона не больше 5%, что является недостатком.
Для получения высокой эффективности на пути нейтронов устанавливают по 10-20 пластин с нанесенными на них тонкими слоями твердотельного конвертора, как это сделано в работах: [5] (М. Klein, С.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics. // Nucl. Instrum. and Methods, A628 (2011), p.9) и [6] (Zhehui Wang, C.L. Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons. // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011) 323-325). Это позволяет продуктам реакции (1) выйти из каждого слоя в газ и быть зарегистрированными.
3
6
Однако, как показано в работе [6], при многократном повторении слоев конвертора эффективность регистрации тепловых нейтронов с энергией 0.025 эВ () ограничена величиной в 42%, что меньше эффективности, получаемой в детектроах с Не, и является недостатком. Другим недостатком использования чистого бора, имеющего высокое удельное сопротивление 10 Ом⋅м, является накопление заряда на поверхности катода, что снижает быстродействие детектора.
10
Наиболее близким по конструктивным признакам и технической сущности к предлагаемому решению является двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов, описанный в работе [7] (Piscitelli, F. Messi, et al. The Multi-Blade Boron- 10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS // arXiv:1701.07623v1, 26 January 2017) с наклоном конверторного слоя относительно траектории нейтрона. При развороте пластинок на малый угол θ существенно увеличивается эффективная толщина конверторного слоя В на пути нейтрона:
d -
мм
мм.
рад)
мкм.
3
10
10
-3
4
4
где физическая толщина, поэтому эффективность тонко-пленочного детектора может превышать эффективность детекторов с Не. В детекторе-прототипе [7] в качестве конвертора используется слой карбида бора ВС, обогащенного до 80% изотопом В, нанесенный на пластинку вакуумным напылением [8] (С. , et al. ВС thin films for neutron detection. // Journal of Applied Physics, vol. III, no. 10, 2012.). Карбид бора имеет удельное сопротивление 10 Ом⋅м, т.е. на 9 порядков меньше, чем у бора, что исключает накопление заряда на его поверхности. Рассматриваемый детектор состоит из набора ячеек, каждая из которых образует проволочную камеру с двумя катодами: один катод образует пластинка из алюминия толщиной 1 с карбидом бора на ее поверхности, вторым катодом являются медные полоски-стрипы, нанесенные на кантон, ориентрованные перпендикулярно проволочкам и размещенные с обратной стороны пластинки с конвертором. Между пластинками размещены анодные проволочки с шагом 4 При срабатывании детектора номер проволочки определяет Х-координату нейтрона, а номер стрипа - Y-координату. Толщина конверторного слоя в детекторе-прототипе 7.5 мкм выбрана такой, чтобы максимально увеличить вероятность захвата нейтрона и минимизировать эффект рассеяния нейтронов на кантоне. При развороте пластинок на угол θ=5° (0.087 согласно (2) в 11.5 раз увеличивается эффективная толщина конверторного слоя на пути нейтрона и становится равной 86 Для того чтобы из-за расходимости пучка нейтронов, идущих от образца, угол θ не изменялся, пластинка с конвертором каждой следующей ячейки дополнительно развернута относительно траектории нейтрона - применен принцип "жалюзи".
мм
мм
Двухкоординатный детектор-прототип тепловых и холодных нейтронов [7] обладает высоким быстродействием и низкой чувствительностью к гамма-фону, однако он имеет недостаточную эффективность регистрации нейтронов из-за большой толщины конверторного слоя 7.5 мкм, при которой вероятность захвата нейтрона практически 100%, но вероятность выхода фрагментов реакции (1) в газ мала. Другим недостатком прототипа является зависимость эффективности от координаты, т.к. разворот типа "жалюзи" пластинок с конвертором приводит к изменению зазора анод-катод проволочной камеры: зазор меньше 8 со стороны входа нейтронов в ячейку и больше 8 в области выхода нейтронов. Изменение зазора, в свою очередь, изменяет коэффициент газового усиления, в итоге - изменяется эффективность детектора [7]. Недостатком прототипа является также одностороннее нанесение карбида бора на пластинку-подложку, что приводит к ее деформации [8] и дополнительно влияет на газовое усиление. Кроме того, в детекторе на пути нейтронов имеется органическое вещество - каптон [7], сильно рассеивающее тепловые нейтроны.
Все эти факторы в совокупности влияют на эффективность детектора-прототипа и ее зависимость от координаты.
Техническим эффектом заявляемой полезной модели является повышение эффективности при сохранении высокого быстродействия и низкой чувствительности к гамма-фону.
2
4
10
10
новым является то
Технический эффект достигается тем, что в двухкоординатном позиционно-чувствительном детекторе тепловых и холодных нейтронов, состоящем из герметичного корпуса, заполненного газовой смесью, например Ar(80%)/СО(20%), при атмосферном давлении на продув, системы электродов - катода и анода, составляющих ячейки, размещенные с определенным шагом и объединенные в первый детектирующий слой, при этом катодом ячейки служит пластинка-подложка из алюминия с нанесенной на ее поверхность тонкой пленкой карбида бора ВС, обогащенного до 80% изотопом В, а анодом - тонкие вольфрамовые проволочки, размещенные между пластинками, причем пластинки повернуты на небольшой угол относительно нормали к поверхности входного окна детектора, , что введен идентичный первому второй детектирующий слой, с углом поворота пластинок, измененным на противоположный, с образованием шевронной структуры, при этом пластинки со сплошным конверторным слоем, нанесенным на обе стороны подложки, чередуются с пластинками с конверторным слоем в виде стрипов, нанесенным на обе стороны предварительно пассивированной подложки, со сдвигом последних относительно первого слоя на шаг ячеек.
А также новым является то, что электроды через усилители и дискриминаторы подключены к программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), при этом одноименные проволочки ячеек соединены вместе на входе усилителей.
Предложенная совокупность признаков обеспечивает технический эффект за счет увеличения числа слоев конвертора, каждый из которых остается достаточно тонким, и поэтому вероятность выхода фрагментов реакции (1) в газ увеличивается, а также за счет исключения зависимости эффективности регистрации и счета нейтронов от координаты, исключения деформации пластинок с конвертором и исключения органического вещества на пути нейтронов.
мкм.
max
Введение второго детектирующего слоя, идентичного первому, но с расположением пластинок с конвертором таким образом, что пластинки двух слоев образуют "шеврон" - угол поворота пластинок во втором слое изменяется на противоположный по знаку при той же его величине. Это приводит к тому, что при этом на пути нейтрона увеличивается число конверторных слоев (в 4 раза по сравнению с прототипом, что позволяет уменьшить толщину каждого слоя до 1-3 Если имеется расходимость пучка нейтронов и выполняется условие: угол расходимости α меньше угла поворота пластинок θ, то при расположении пластинок шевроном эффективность детектора усредняется и не зависит от координаты. Средний угол  является постоянным. Аналогично усредняется количество вещества на пути нейтронов, что дает постоянное затухание потока и приводит к стабильному счету нейтронов независимо от координаты. В предлагаемом детекторе исключена деформация пластинок-подложки, т.к. карбид бора наносится на обе стороны подложки, причем пластинки со сплошным покрытием и с покрытием в виде стрипов установлены со сдвигом на пути нейтрона так, что в среднем толщина конвертора от ячейки к ячейке одинаковая. Кроме того, в предлагаемой конструкции детектора на пути нейтронов нет органического вещества, сильно рассеивающего тепловые нейтроны.
10
10
10
4
4
2
3
27
а,
а=5 мм,
рад,
a
w
а
мм
мкм.
w
На рисунках: фиг. 1, 2, 3, представлены основные элементы схемы и конструкции заявляемого детектора тепловых и холодных нейтронов планарной конструкции, состоящего из двух детектирующих слоев, образующих вместе шеврон. Здесь 1 - пластинки-катоды с нанесенным на них с двух сторон конвертором из карбида бора ВС, обогащенного изотопом В, в виде сплошного слоя; 2 - пластинки-катоды с нанесенным на них с двух сторон конвертором из карбида бора ВС в виде стрипов (стрипы нанесены через трафарет на окись алюминия AlO, полученную пассивированием поверхности подложки до нанесения карбида бора, как это выполнено в работе (G. Albani, et al. Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters. // Meas. Sci. Technol.  (2016) 115902 (9р). [9]; 3 - анодные проволочки. Зазор анод-катод постоянный. Пластинки с конвертором отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии например и повернуты относительно нормали к поверхности входного окна на небольшой угол θ, например θ=6° (~0.1 на порядок увеличивается эффективная толщина конверторного слоя на пути нейтрона). Выбор величин  и θ определяют глубину детектора из условиея перекрытия пластинок. Кроме того, величина выбирается, исходя из длины пробега фрагментов реакции (1) в аргоне при атмосферном давлении, достигающей 5 для альфа-частиц при толщине конвертора 3 Ширина пластинок выбирается из условия:
при малом угле θ. Пластинки конвертора устанавливаются с небольшим перекрытием, исключающим "мертвые" зоны в апертуре детектора, и при а=5 мм,θ=6° ширина W>
мм (в прототипе -
мм), для двух детектирующих слоев -
мм.
50 100 100
max
max
Как уже отмечалось, второй детектирующий слой - идентичный первому, но с отрицательным углом поворота θ конверторных пластинок-катодов и проволочек-анодов. При этом требуется, чтобы выполнялось условие: α<θ по, см. фиг. 1. В этом случае, например при α=3°, реальные углы входа нейтронов в конвертор будут изменяться от 3° до 9°, но средний угол в двух детектирующих слоях будет постоянным и равным  для любой координаты нейтрона.
мкм
В предложенной конструкции проволочные сетки изготавливаются намоткой вольфрамовой проволоки диаметром 15 с заданным шагом и натяжением.
а.
2а)
2б)
Фиксация концов проволочек осуществляется пайкой и приклеиванием их к печатным ламелькам пластинки 8, выполненной из стеклотекстолита. Для уменьшения напряженности электрического поля на краях сетки первая и последняя проволочки сеток имеют больший диаметр. К концам пластинки 8 приклеиваются спэйсеры 9 так, чтобы при сборке дететора образовывался заданный шаг ячеек Проволочные сетки (фиг. располагаются между планками 10 с упором на пластинки 8, а пластинки с конвертором (фиг. вдвигаются в пазы планок 10. Сборка ячеек производится при θ=0°, а необходимый угол наклона θ=6° создается по окончании сборки сдвигом относительно друг друга направляющих планок 10, например на ±2.5 мм, с фиксацией их винтами в боковых стойках 6. Крепление элементов 1, 2, 3 двух детектирующих слоев выполнено вне активной области детектора без фронтальной перегородки 5, как показано на фиг. 3. Прогиб планок 10 под действием сил натяжения проволочек исключается соответствующим выбором ребра жесткости планки 10. Газовый объем корпуса замыкают окна 4 и стенки 11, в которые вмонтированы газовые трубки 7 для продува газовой смеси при атмосферном давлении, а герметичность корпуса обеспечивают резиновое кольцо 12, обжатое болтами 13.
10
4
7
6
2
2
2
кВ/см),
а/2=
мм,
с-1.
s⋅
s
а
s
мм
мм
см,
2б)
мм
мм.
Предлагаемый детектор работает следующим образом. При захвате нейтрона ядром В один из фрагментов реакции (1), будучи заряженной частицей - Не или Li, при выходе в газ, например Ar(80%)СО(20%), ионизует последний, образуя на своем треке пары электрон-ион. При этом в зазоре анод-катод может образоваться значительный заряд - тысячи первичных электронов в указанной смеси при атмосферном давлении, т.к. имеет место значительное энерговыделение. При нулевом напряжении на катодах 1 и 2 и положительном напряжении на проволочках 3 первичные электроны дрейфуют к проволочкам. Вблизи поверхности тонкой проволочки образуется большая напряженность электрического поля (>20 и первичные электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации, которая происходит лавинообразно - умножение заряда. При этом длина свободного пробега электронов вторичной ионизации составляет несколько микрон. Таким образом, потребуется не более 10 микрон, чтобы образовался заряд, достаточный для его регистрации. Разделенные полем заряды вторичных электронов и положительных ионов наводят на проволочках и на катодах сигналы противоположной полярности (отрицательной на аноде и положительной на катоде). Номер сработавшей проволочки, расположенной вертикально, дает горизонтальную координату X, а номер сработавшего стрипа на катоде, расположенного горизонтально, - вертикальную координату Y. При этом доминирующий вклад в наведенный сигнал вносят положительные ионы, т.к. проходят значительный путь, а электронной компонентой можно пренебречь. Длительность наведенных импульсов на проволочках и катодах, определяет время дрейфа первичных электронов к проволочке, вблизи которой каждый первичный электрон создает лавину. Легко определить, что при скорости дрейфа электронов 20-50 мкм/нс в полузазоре 2.5 длительность фронта импульсов составит 50-100 не (за это время первичные электроны покинут зазор), а быстродействие детектора составит не менее 10Пространственное разрешение по Х-координате определяет произведение θ, где - шаг проволочек 3 (фиг. 2). Так, при =8 и θ=6° среднеквадратичное значение составит . Следует подчеркнуть, что это - предельное разрешение, реальное разрешение при регистрации "цетра тяжести" заряда, наведенного на нескольких проволочках одновременно, таким не будет, но 1 достижим. Если Y-координату определять методом деления тока (заряда) только на анодных проволочках или задержкой сигналов с их концов без введения стрипов на катодах, то тогда пространственное разрешение по Y-координате будет составлять 1-2 в ряде задач нейтронной физики это приемлемо. С введением стрипов 2 на одном из катодов ячейки (фиг. пространственное разрешение по Y-координате определяется шагом катодных стрипов. При шаге стрипов 4 среднеквадратичное значение составит ~1 Возможны различные схемы электроники предлагаемого детектора. Одна из схем с относительно небольшим числом каналов электроники представлена на рисунке фиг. 4. Сигналы 14 с катодов со сплошным конвертором через усилители 15 и дискриминаторы 16 подключаются к программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) 19, при помощи которой определяется номер сработавшей ячейки. Для определения номера сработавшей проволочки соответствующие проволочки ячеек - все первые, все вторые и т.д. соединены впараллель, т.к. сработать может только одна ячейка. Каналы группы 17 -такие же, как группы 14. В группе 18 измеряется задержка импульсов на концах стрипов относительно сигнала 14 сработавшего катода. ПЛИС 19 по сигналам со всех электродов вырабатывает на выходах 20 и 21 координаты нейтрона X и Y в цифровом коде. Число каналов электроники зависит от размеров детектора, которые могут изменяться в широких пределах, от 200×200 мм до 1×1 м и др.
10
Для оценки эффективности предлагаемого детектора тепловых и холодных нейтронов ограничимся вероятностью захвата нейтрона ядром В, для чего воспользуемся формулой:
N -
см3
барн
мкм
п
10
где концентрация атомов в конверторного слоя, которая определяется отношением плотности вещества к его атомной массе, σ=3844 - сечение захвата теплового нейтрона ядром В, зависящее от длины волны нейтрона. Выберем угол θ=6° и случай двухслойного детектора типа "шеврон" с четырьмя сплошными конверторными слоями на пути нейтрона. Для нейтрона с энергией 0.025 эВ () получим при толщине конвертора 1, 2, 3 ∈=0.63, 0.86, 0.95, соответственно.
,
мкм
0
0
2
10
Для оценки эффективности при других длинах волн λотличных от λ, можно воспользоваться тем, что сечение пропорционально отношению λ/λ. Как видно, по вероятностям захвата теплового нейтрона ядром В эффективность предлагаемого детектора, работающего на простой газовой смеси Ar/СО при атмосферном давлении на продув, может быть достаточно высокой: ∈(λ)=0.63 (), 0.94 () при толщине конвертора 1 и наклоне θ=6°. В прототипе, согласно[7], с толщиной конвертора 7.5 мкм и θ=5° ∈(λ)=0.39 (), 0.65 () - здесь приведена полная эффективность с учетом как захвата, так и выхода ядер-фрагментов в газ. Очевидно, что в предлагаемом детекторе с толщиной конвертора 1 мкм, а не 7.5 мкм, вероятность выхода ядер-фрагментов в газ существенно выше.
10
14
п/см2
Приведенные выше расчетные величины следует рассматривать, как предельные. Конверторы на основе карбида бора, обогащенного изотопом В, являются достаточно радиационно стойкими и выдерживают без морфологических нарушений структуры интегральные потоки нейтронов 10[8].
Литература
1. J. Fischer, V. Radeka, A. Boie. Position-sensitive detection of thermal neutrons. //Academic Press, 1983. p. 129.
2. V. Andreev, et al. Two-dimensional Detector of Thermal Neutrons. // Nucl. Instrum. and Methods A581 (2007), p. 123.
3. С.И. Поташев, А.И. Драчев. Позиционно-чувствительный детектор нейтронов.
// Патент РФ №2282215 с приоритетом от 2004-07-01.
4. В. С.Литвин и др. Позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов с борным конвертором.
// Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т 75, №2. С. 252.
CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics
5. М. Klein, С.J. Schmidt. .
// Nucl. Instrum. and Methods, A628 (2011), p. 9.
6. Zhehui Wang, C.L. Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons. // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011) 323-325.
7. F. Piscitelli, F. Messi, et al. The Multi-Blade Boron-10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS.
// arXiv: 1701.07623vl, 26 Jan 2017. - прототип
8. С. , et al. B4C thin films for neutron detection. // Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012.
i
9. G. Alban, et al. Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters.
27
// Meas. Sci. Technol.  (2016) 115902 (9pp).