Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов на бинарной смеси 3He2/CF4

Полезная модель относится к области регистрации тепловых и холодных нейтронов и предназначено для исследования структуры вещества в конденсированном состоянии регистрацией дифракционных спектров. Предложенное техническое решение может быть также применено в нейтронографии и других прикладных исследованиях.
3
2
T
0
Изотоп Не является наилучшим газовым конвертором, который характеризуется большим сечением захвата теплового нейтрона с энергией E=kT=0.0253 эВ и длиной волны  где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Сечение захвата холодных нейтронов увеличивается пропорционально длине волны λ/λ.
Реакция захвата нейтрона ядром гелия сопровождается рождением двух заряженных частиц - тритона (191 кэВ) и протона (573 кэВ) с довольно большим суммарным энерговыделением 764 кэВ:
3
3
1
1
2
4
4
3
8
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. Эффективность детектора определяется толщиной рабочего зазора, парциальным давлением газа Не и сечением захвата нейтрона ядром гелия Не. Многоатомной добавкой CF создается дополнительное давление для ограничения пробегов фрагментов реакции (1) с целью повышения пространственного разрешения. (CF замечателен тем, что не уступает пропану CH по ограничению пробегов фрагментов реакции (1), но является сцинтиллирующим газом, при этом в нем существенно выше скорость дрейфа электронов.)
4
2
2
3
3
Одновременно с ионизацией возбуждаются атомы CF, наблюдается люминесценция в виде световой вспышки с длиной волны ~620 нм даже при отсутствии электрического поля в зазоре. Регистрация первичной световой вспышки позволяет определить момент времени t=0 захвата нейтрона ядром гелия. (Manzin G. et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 535. 2004. P. 102-107. Например, для регистрации светового сигнала может быть применен ФЭУ hamamatsu R292, спектральная область 185-900 нм.) Известно, что амплитудные спектры от альфа-частиц, измеренные ФЭУ по сцинтилляциям и пропорциональным счетчиком по ионизации, практически идентичны, (Condec C.A.N, andPolicarpo A.J.P.L. A Gas Proportional Scintillation Counter // Nucl. Instr. and Meth. A53 (1967), 7-12.) более того, умножение фотонов начинается при меньших напряжениях.
3
2
4
Известны проволочные двухкоординатные детекторы тепловых и холодных нейтронов (т.х.н.), работающие на бинарной смеси He/CF, например, [1] Knott R.B., et al. A large 2D PSD for thermal neutron detection // Nucl. Instr. and Meth. A392. 1997. P. 62-67; [2] Andreev V., et al. Two-dimensional detector of thermal neutrons // Nucl. Instr. and Meth. A581. 2007. P. 123-127. Детекторы состоят из герметичного корпуса с рабочим зазором, заполненным рабочим газом, в котором размещено три в [1] и пять в [2] проволочных электродов.
5
2
Недостатком проволочных детекторов [1, 2] наряду с низким быстродействием ~10 Гц/см является наличие в амплитудном спектре "хвоста", который начинается от пика 764 кэВ и простирается до нуля. Причина такого эффекта заключается в том, что первичный заряд может касаться стенок корпуса, тогда часть заряда теряется - эффект "окна", как результат - уменьшается амплитуда сигнала. При потере первичного заряда возникает ошибка в измеряемой энергии и дополнительная ошибка в, измеряемых координатах точки захвата нейтрона ядром гелия. Кроме того, размывается граница для установки порога дискриминации по амплитуде, как следствие - недостаточное подавление гамма-фона, сопровождающего нейтронные пучки.
В проволочных детекторах т.х.н. регистрация световой вспышки затруднена из-за большого числа рамок и проволочек в рабочем зазоре: три рамки в [1] и пять в [2], что является недостатком конструкции гелиевых проволочных детекторов.
Из других недостатков отметим: нестабильность счета, обусловленную изменением амплитуды сигналов, которая следует за изменением Р/T, где Р - атмосферное давление, Т - температура окружающей среды, что при фиксированном пороге вносит нестабильность счета; наличие высокого напряжения на считывающих электродах - требуются высоковольтные разделительные конденсаторы и резисторно-диодные цепочки защиты на входе усилителей, см. [1]. В работе [2] применено пять проволочных электродов вместо трех [1, 2] с тем, чтобы маломощные интегральные линии задержки разместить на нулевом потенциале катодов, для чего понадобилось ввести два дополнительных дрейфовых проволочных электрода и подать на них отрицательное напряжение, чем существенно усложнена конструкция детектора.
2
3
2
4
На порядок выше быстродействие ~1 МГц/см у детектора тепловых и холодных нейтронов, который выполнен на иной системе умножения первичного заряда - микростриповом газовом счетчике (Micro-Strip Gas Counter - далее MSGC) [3] Clergeau J.F., et al. Operation of Sealed Microstrip Gas Chambers at the ILL // IEEE Trans, on Nucl. Sci. NS 48. №4. 2001. P. 1075-1080. Цитируемый детектор состоят из герметичного корпуса с рабочим зазором, заполненным бинарной смесью He/CF, в котором на внутренней поверхности выходного окна размещен счетчик MSGC толщиной по пучку не больше 1 мм. Таким образом, упрощается регистрация светового сигнала в рабочем зазоре детектора т.х.н.
Здесь также присутствует "хвост" в амплитудном спектре, в результате - недостаточное разделение полезного сигнала и гамма-фона. Другие недостатки: недостаточная надежность, при пробое может произойти обрыв узкого анодного стрипа; нестабильность счета, связанная с изменением Р/Т; наличие высокого напряжения на считывающих электродах, из-за чего требуются высоковольтные разделительные конденсаторы и резисторно-диодные цепочки защиты на входе усилителей.
При регистрации первичной световой вспышки регистрируется также значительный сигнал от вторичной люминесценции, возникающей в результате лавинной ионизации в промежутке анод-катод с задержкой относительно первичной вспышки при t=0, перегружающий ФЭУ.
3
2
Известна работа, в которой для регистрации тепловых и холодных нейтронов газовым конвертором Не умножение первичного заряда производится газовым электронным умножителем [6] (Vuure Т.L. et al. High-Pressure GEM Operation Aiming at Thermal Neutron Detection // IEEE Trans, on Nucl. Sci. NS 48. №4. 2001. P. 1092-1094).
4
4
2
В газовом электронном умножителе (GEM - Gas Electron Multiplier, далее будет использоваться русская аббревиатура ГЭУ - Газовый электронный умножитель) умножение или усиление первичного заряда происходит в отверстиях, образованных в фольгированном с двух сторон диэлектрике. Известный классический GEM (F. Sauli, GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Instrum. Meth., vol. A386, 1997, 531-534.) называют "тонким", т.к. отверстия делаются травлением в фольгированном каптоне, толщина которого 50 микрон. Этот прибор недостаточно надежный. При электрическом пробое в отверстии выделяется значительная энергия, запасенная межэлектродной емкостью образованного фольгированными электродами конденсатора. Так, при толщине каптона 50 мкм и размерах детектора 10×10 см емкость конденсатора составляет 8000 пФ, а энергия при пробое достигает 1.5 мДж при напряжении 600 В. При плохом теплоотводе может оплавиться каптон. Поэтому обязательной является сегментация электродов с развязкой сегментов друг от друга высокоомными резисторами. С увеличением давления газа, как это требуется для регистрации нейтронов в гелии, требуется увеличивать напряжение, значит необходимо уменьшать размеры сегментов.
Таким образом, серьезным недостатком GEM является необходимость сегментации, что усложняет создание детектора большой площади. Подведение напряжения к множеству маленьких сегментов может оказаться проблемой.
Дополнительно к недостаткам классического GEM следует отнести наличие индукционного зазора, т.к. электрические разряды из отверстий попадают в индукционный зазор, а значит необходима защита усилителей резисторно-диодными цепочками, что усложняет схему.
3
2
4
Известна работа [5] Fraga F.A.F., et al. CCD readout of GEM-based neutron detectors // Nucl. Instr. and Meth. A478. 2002. P. 357-361, в которой описывается детектор т.х.н., работающий на бинарной смеси He/CF, с использованием только люминесценции и оптического съема информации на CCD камеру - прибор с зарядовой связью (руск. аббревиатура ПЗС).
ПЗС камера, регистрируя только вторичную люминесценцию в отверстиях GEM, позволяет с высоким пространственным разрешением "оцифровать" треки фрагментов реакции (1), которые "проецируются" на GEM и имеют в проекциях разную длину. Координаты нейтрона определяют по центру треков. При этом исключается нестабильность счета, обусловленная изменением Р/Т.
Но при потере первичных электронов из-за эффекта окна возникает ошибка в координатах. Цитируемому детектору т.х.н. присущи также следующие недостатки: малые размеры активной области (5 см), т.к. требуется сегментация GEM; недостаточная надежность, присущая классическому тонкому GEM; трехкаскадный GEM с индукционным зазором, занимает в рабочем зазоре много места; низкое быстродействие, вносимое ПЗС камерой.
3
2
4
Техническим эффектом полезной модели являются: снижение фона, в частности, гамма-фона, повышение быстродействия и стабильности счета двухкоординатного гелиевого детектора т.х.н. с бинарной смесью He/CF.
3
2
4
1. Это достигается тем, что в известном двухкоординатном детекторе тепловых и холодных нейтронов на бинарной смеси He/CF, содержащем герметичный корпус с рабочим (конверсионным) зазором, образованным между входным и выходным окном, заполненным под давлением газовой смесью, в котором размещены газовый электронный умножитель (ГЭУ) и система регистрации люминесценции, новым является то, что система регистрации люминесценции выполнена на фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и используется ГЭУ колодезного типа, с резистивным электродом из алмазоподобного углерода (АПУ), образующий вместе с системой считывания координатной информации одну гибкую многослойную плату, размещенную на внутренней поверхности выходного окна герметичного корпуса.
АПУ нанесен на печатную проводящую решетку, причем печатные проводники решетки размещены между отверстиями, шаг решетки выбран кратным шагу отверстий ГЭУ и предельно малым, например, 0.5 мм при шаге отверстий 0.5 мм, а считывающие стрипы размещены напротив отверстий ГЭУ.
ФЭУ размещены на оптически прозрачных вводах по периметру корпуса на его торцах.
Перечисленные признаки обеспечивают совпадения оптического и ионизационного сигналов, возникающих в рабочем зазоре и сопровождающих захват нейтрона ядром гелия в реакции (1). При этом регистрацией первичной световой вспышки измеряется время дрейфа первичных электронов от момента t=0 до появления ионизационного сигнала на считывающих электродах. По ионизационному сигналу определяются координаты X и Y в совпадении с оптическим сигналом. Это позволяет производить отбор событий с режекцией тех событий, в которых произошла потеря первичного заряда вблизи окна или электрода. При этом дополнительно исключается зависимость счета от изменений Р/Т, т.е. повышается стабильность счета. В спектре отобранных событий порог дискриминации сигналов можно увеличить с типового 100 кэВ до 200 кэВ и более, тем самым существенно подавить гамма-фон.
Практическая реализация поставленных задач производится введением фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), размещенных на оптически прозрачных вводах по периметру корпуса на его торцах, и ГЭУ колодезного типа с резистивным электродом из алмазоподобного углерода (АПУ), нанесенным на проводящую печатную решетку, при этом ГЭУ вместе с системой считывания образует одну гибкую многослойную плату, размещенную на внутренней поверхности выходного окна герметичного корпуса.
5
5
Повышение надежности детектора достигается тем, что резистивный электрод существенно уменьшает емкость, которая в случае электрического пробоя разряжается на плазму в отверстии, т.е. не нужна сегментация электродов. Разряд, если возникает, то тут же "гасится" высоким сопротивлением резистивного электрода, т.к. снижается межэлектродное напряжение. Алмазоподобный углерод, обладая высоким удельным электрическим сопротивлением, исключительно устойчив к воздействию электрических разрядов благодаря высокой твердости, гладкости, прочному удержанию графита в алмазе, высокой температуре плавления; во-вторых, это - тонкий слой (не больше 1 микрона); плата с нанесенным слоем АПУ остается гибкой. Подача напряжения на АПУ впервые производится при помощи проводящей печатной решетки с предельно малым шагом, например, 0.5 мм при шаге отверстий 0.5 мм. Это в 20 раз меньший шаг по сравнению с известными техническими решениями. (Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv: 1305.158; Bencivenni G., et al. // Nucl. Instr. and Meth. A886. 2018. P. 36-39.).
Преимуществом предложенного ГЭУ с отверстиями колодезного типа является то, что вторичная люминесценция "заперта" в отверстиях и не видна с торцов рабочего зазора, не перегружает ФЭУ. Как следствие, регистрируется только первичная люминесценция из глубины рабочего зазора. ФЭУ находятся вне пучка нейтронов, что повышает надежность детектора. Применение нескольких ФЭУ производится для повышения эффективности регистрации светового сигнала.
Высокое быстродействие в предложенном техническом решении достигается за счет того, что путь, на который растекается заряд электронов по поверхности АПУ до его рекомбинации на печатной решетке, уменьшен до 0.5 мм. Время стекания заряда определяется поверхностным сопротивлением резистивного слоя R и шагом решетки s:
0
r
r
6
2
где ∈ = 8.85 пФ/м - электрическая постоянная, ∈ - диэлектрическая проницаемость материала подложки (∈ ~4). Для s = 0.5 мм и R = 10 МОм/ получим Т=180 нс, что с обеспечивает быстродействие ~5⋅10 Гц/см.
Регистрацией на совпадение оптического и ионизационного сигналов повышается стабильность счета нейтронов, т.к. исключается влияние на счет изменений Р/Т.
Дополнительными новыми свойствами предлагаемого детектора являются: увеличение размеров детектора, т.к. не нужна сегментация электродов ГЭУ и упрощается применение модульного принципа построения детектора; возможность изгиба детектирующей поверхности для устранения параллакса как по X, так и по Y; нулевое напряжение на считывающих электродах с исключением разделительных конденсаторов и цепочек защиты усилителей.
3
6
6
2
7
7
2
4
Двухкоорданатный гелиевый детектор т.х.н. на бинарной смеси Не/CF представлен на рисунке Фиг. 1, а дополнительная информация по устройству ГЭУ дана на рисунках Фиг. 2, и Фиг. 3. На Фиг. 2 изображено в разрезе устройство используемого ГЭУ колодезного типа, где показано размещение печатной проводящей решетки, на которую нанесен АПУ, относительно отверстий ГЭУ. На Фиг. 3 изображено в разрезе устройство используемого ГЭУ колодезного типа, где в других слоях многослойной структуры показано, как размещены считывающие стрипы X и Y относительно отверстий ГЭУ. Стрипы Y выбираются шире стрипов X, чтобы заряды на них наводились одинаковыми. На рисунке Фиг. 4 приведена схема электроники, при помощи которой производится регистрация и отбор информации. На рисунке Фиг. 1 показаны: 1 - герметичный корпус со входным окном 2 и выходным окном 3, рабочий (конверсионный) газовый зазор 4, система умножения первичного заряда и регистрации вторичного заряда 5-13 (вид А, см. Фиг. 2 и Фиг. 3), 14 - фотоэлектронные умножители. Здесь ФЭУ смонтированы на оптически прозрачных вводах из кварцевого стекла с четырех торцевых сторон герметичного корпуса 1, например, по одному с каждой стороны (к - в общем случае). На риунках Фиг. 2 и Фиг. 3 приведен ГЭУ с отверстиями колодезного типа с резистивным электродом из алмазоподобного углерода, который вместе с системой считывания представляет одну гибкую многослойную плату. Элементами ГЭУ являются: 5 - первый электрод, 6 - отверстия, 7 - резистивный слой, выполняющий функцию второго электрода, нанесенный на подложку 8 с печатной проводящей решеткой 9, стрипы считывания 10 и 12, выполненные взаимно ортогонально на плате 11, дополнительный изолятор 13, позволяющий размещать плату непосредственно на корпусе 1 или при модульном исполнении детектора - на дополнительной "материнской" плате, позволяющей подведение напряжения к внутренним модулям детектора больших размеров. (Современная промышленность позволяет производить гибкие печатные платы до 1 м). Материалом ГЭУ колодезного типа является односторонний фольгированный диэлектрик (Материалом может быть односторонний фольгированный стеклотекстолит, полиимидная пленка (каптон), лавсан, фторопласт, полиэтилен и др.) толщиной, например, 500 микрон с отверстиями диаметром 200 микрон, расположенными с одинаковым шагом по осям X и Y, например, 500 микрон. Предложенный ГЭУ в виде гибкой платы позволяет реализовывать планарную, а также изогнутую цилиндрическую или сферическую детектирующие поверхности для устранения параллакса в одной координате X в кольцевых дифрактометрах или в обоих координатах X и Y в рефлектометрах и дифрактометрах малоуглового рассеяния нейтронов.
3
3
3
2
4
2
4
4
4
Предлагаемый двухкоординатный гелиевый детектор т.х.н. на бинарной смеси HeCF работает следующим образом. Нейтрон, рассеянный на образце, проникает в герметичный корпус 1 через через входное окно 2 и попадает врабочий (конверсионный) зазор 4 с бинарной смесью He/CF. Внутренние поверхности входного окна 2 и выходного окна 3 повторяют по форме друг друга, что придает зазору одинаковую толщину по трааектории нейтрона. В рабочем зазоре 4 в любом месте по его глубине нейтрон может быть захвачен ядром гелия Не. В результате развала возбужденного ядра на заряженные фрагменты реакции (1) последние ионизуют атомы газа с образованием в рабочем зазоре первичного заряда. Образованные фрагменты реакции (1) также возбуждают атомы сцинтиллирующей добавки CF. Выбором общего давления газа пробеги ограничивают, например, до 2 мм давлением CF 2 атм. Первичный заряд электронов дрейфует в электрическом поле Е к отверстиям ГЭУ по силовым линиям, направленным по нормали к электродам. Положительные ионы первичного заряда дрейфуют к катоду (которым может быть корпус), где нейтрализуются. В результате лавинного умножения первичных электронов в сильном электрическом поле отверстий 6 возникает вторичный заряд, достаточный для его надежной регистрации. Основной вклад в наведенный сигнал создает электронный заряд, растекающийся по поверхности АПУ. Если первичный заряд ~30 тысяч электронов (5 фКл), то умножением его на коэффициент газового усиления, например, 20 находим вторичный заряд ~100 фКл. Этот заряд делится пополам между X и Y стрипами и составляет достаточно большой сигнал по сравнению с тепловыми шумами электроники (~1 фКл). Положительная полярность сигналов индуцирется на электроде 5 (стоповый сигнал), отрицательная - на 7, 9, 10 и 12.
4
1
k
8
8
9
9
10
10
Люминесценция возбужденных атомов CF*, сопровождающаяся световым излучением (Manzin G. et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 535. 2004. P. 102-107. MorozovA. et al. // JNST 7 P02008 2012.) с длиной волны ~ 620 нм, регистрируется ФЭУ 14…14, например, четырьмя (k=4), установленными на торцах герметичного корпуса по периметру. Импульсы с ФЭУ усиливаются 15, дискриминируются 16 по амплитуде и объединяются, например, по ИЛИ программируемой логической схемой (ПЛИС) 18, чем создается  отметка начала регистрации события (t=0). Наибольшее количество информации о событии может быть получено при регистрации сигналов с каждого стрипа, как показано на рисунке Фиг. 4. Импульсы с ФЭУ и с общего электрода 9 ГЭУ усиливаются 15 и оцифровываются преобразователями (Например, www.ti.com/lit/ds/symlink/ads5271.pdf)"амплитуда-код" 17. Спектры с оптического и ионизационного каналов дополняют друг друга. Сигнал с ФЭУ разрешает регистрацию (чем осуществляется совпадение - логическая операция И) ионизациооных сигналов со стрипов X и Y в устройстве цифровой обработки 18 с измерением как времени появления сигналов относительно t=0, так и ширины импульсов (Например, HPTDC https://cds.cern.ch/record/1067476/files/cer-002723234.pdf) на выходах дискриминаторов 16. Различная ориентациея треков - параллельно, перпендикулярно или под углом к стрипам определяет амплитуду и ширину импульсов на стрипах. Схемой 18 измеряется временной интервал Δt между импульсами с ФЭУ и с общего электрода 9 ГЭУ для последующего отбора информации в соответствии с требованием:
1
2
11
11
где T - нижний предел, Т - верхний предел измеренного интервала Δt. Отбор информации осуществляется по совокупности условий, т.е. с учетом не только (3), но и с учетом времени и количества сработавших стрипов X и Y. В результате отбора событий устраняется "хвост" в амплитудном спектре с учетом ориентации треков фрагментов реакции (1) относительно стрипов X и Y. Координаты X и Y определяются по известной методике, например, по середине сработавшей группы стрипов. (Toh K., Nakamura Т., et al. // Journal of Physics: Conference Series 528 (2014) 012045. http://sci-hub.se/10.1088/1742-6596/528/l/012045)
Скорость съема информации в предлагаемом детекторе ограничивается длительностью импульсов со стрипов. В модульной конструкции предлагаемого детектора модули работают параллельно, чем дополнительно увеличивается скорость набора дифрактограмм. Контроль за наложением двух событий в одном модуле легко осуществляется по амплитуде и длительности импульсов.
Пространственное разрешение предлагаемого детектора одинаковое по X и Y определяется шагом отверстий ГЭУ и может составлять доли милиметра.
Оценим эффективность детектора по формуле:
A
0
A
2
0
0
3
3
пренебрегая потерями нейтронов в материале входного окна. Здесь N⋅ρ/A⋅σ(λ)=0.134, N - число Авогадро, ρ - плотность (г/см), А - атомная масса, t - толщина слоя конвертора или рабочего зазора (см), p - парциальное давление Не (атм), λ - длина волны нейтрона  Из приведенного на рисунке Фиг. 5 графика, построенного по зависимости (4), можно определить эффективность, как функцию произведения переменных t⋅р⋅λ/λ, где λ = 1.8  Например, при t = 2.2 см, если p>5.5 атм, а λ=1.8  получается ∈>80%.
4
12
12
Добавкой многоатомного газа CF 3 атм можно получить пространственное разрешение детектора 1 мм (полная ширина на полувысоте) с характеристиками. Напряженность дрейфового поля Е в рабочем зазоре детектора может составлять 2.5 кВ/см. Для этого напряжение на электроде 5 (см. Фиг. 2) должно быть +5.5 кВ относительно корпуса, а на резистивном электроде 7 приблизительно 6.5 кВ при суммарном давления газовой смеси р=8.5 атм. Каптон толщиной 100 микрон (если его применить в качестве изолятора 13, Фиг. 2) выдерживает напряжение 15 кВ. Однако, если на внутреннюю поверхность входного окна нанести фторопласт, (Фторопласт не содержит водорода, сильно рассеивающего нейтроны. Фторопласт может быть приклеен к поверхности входного окна только по периметру и давлением рабочего газа плотно прижат к поверхности окна, принимая профиль входного окна.) с напыленным на одну сторону металлом, то напряжение на катоде заменяется на отрицательное -5.5 кВ при нулевом напряжении на электроде 5, чем создается та же напряженность поля 2.5 кВ/см в рабочем зазоре. Но в этом случае на электроде 7 получим напряжение не более +1 кВ. При таком снижении напряжения упрощается подача напряжений на внутренние модули детектора, см. Фиг. 2.
Литература
1. Knott R.B., et al. A large 2D PSD for thermal neutron detection // Nucl. Instr. and Meth. A3 92 (1997) p. 62-67.
2. Andreev V., et al. Two-dimensional detector of thermal neutrons // Nucl. Instr. and Meth. A581 (2007) p. 123-127.
3. Clergeau J.F., et al. Operation of Sealed Microstrip Gas Chambers at the ILL // IEEE Trans, on Nucl. Sci. NS 48. №4. 2001. P. 1075-1080.
4. Vuure T. L., et al. High-Pressure GEM Operation Aiming at Thermal Neutron Detection // IEEE Trans, on Nucl. Sci. NS 48. №4. 2001. P. 1092-1094.
5. Fraga F.A.F., et al. CCD readout of GEM-based neutron detectors // Nucl. Instr. and Meth. A478. 2002. P. 357-361.