ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР МЕДЛЕННЫХ И БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ
POSITION-SENSITIVE DETECTOR OF SLOW AND FAST NEUTRONS

Изобретение относится к области физики ядра и элементарных частиц и может найти применение для измерений ядерных излучений, регистрации медленных и быстрых нейтронов с измерением их энергии, и может быть использовано, в частности, в качестве дозиметра медленных и быстрых нейтронов на атомных станциях, в том числе при авариях, и в медицинской физике и адронной терапии, более конкретно изобретение относится к детектору нейтронов, применяемому для одновременного определения величин плотности потока медленных (тепловых) нейтронов и плотности потока нейтронов с энергией несколько МэВ и их соотношения в потоке нейтронов.
Известен двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор нейтронов (Патент РФ №19930 2001). Он содержит герметичный корпус, заполненный газовой смесью, являющейся конвертором нейтронов. В нем размещены параллельно друг другу проволочные электроды. Газовая смесь приготовлена на основе изотопа гелия-3. Этот детектор обладает следующими недостатками: в газовом объеме происходит одновременно конвертирование нейтронов во вторичные ядра и ионизация в газе от них, что требует использования газа под высоким давлением и большой толщины внешних стенок детектора, не позволяет регистрировать медленные нейтроны с длиной волны более 10А, имеет высокий уровень шумов и низкое координатное разрешение. Детектор не обладает избирательностью к направлению регистрируемых нейтронов. Поэтому при работе на источниках нейтронов детектор с одинаковой эффективностью регистрирует нейтроны из потока и из окружающего фона. Детектор не обладает очень слабой чувствительностью к нейтронам с энергией более 1 МэВ. Кроме того, конструкция детектора является громоздкой и опасной из-за необходимости использования газа под высоким давлением. Указанные недостатки сужают круг задач, для решения которых может быть использован данный детектор.
Некоторые из перечисленных недостатков описанного детектора могут быть устранены в случае использования в качестве конвертера нейтронов не газовой смеси на основе гелия-3 или трифторида бора-10, введенной в объем корпуса, а слоя из твердого бора-10 или лития-6.
Известен позиционно-чувствительный детектор, в котором в качестве конвертора нейтронов используется слой бора-10 или лития-6 (S. Andriamonje, D. Cano-Ott, A. Delbart, J. Derre, S. Diez, I. Giomataris, E.M. Gonzales-Romero, F. Jeaneau, D. Karamanis, A. Lepretre, I. Papadopoulos, P. Pavlopoulos, D. Villamarin. Experimental studies of a Micromegas neutron detector, NIM A481 (2002), pp. 120-129). Детектор содержит герметичный корпус, заполненный газовой смесью, в котором приклеены к рамам и установлены параллельно друг другу катод (дрейфовый электрод) со слоем бора или лития, промежуточная усилительная сетка, представляющая собой пленку с проводящим слоем или никелевую фольгу с регулярной структурой отверстий и анод, состоящий из изолированных друг от друга проводящих дорожек. Катод является одновременно входным окном и состоит из алюминиевой фольги, на внутренней стороне которой нанесен конвертирующий нейтроны слой из бора-10 или лития-6. Анод изготовлен на основе стеклотекстолита с нанесенными на него дорожками из позолоченной меди. В конструкцию детектора включены также средства газонаполнения и подачи высокого напряжения на анод, катод и сетку. Данный детектор не позволяет определять две координаты нейтрона, вступившего в ядерную реакцию в конвертирующем слое, так как он содержит только один слой параллельных сигнальных дорожек. Недостатком этого детектора является также использование только одного газового объема, что не позволяет измерить дважды ионизационные потери в совпадении с ядром, вылетающим из конвертирующего слоя в результате ядерной реакции. Это не позволяет однозначно идентифицировать нейтрон и определить его энергию по двум амплитудам сигналов частичной и полной ионизационной потери. Таким образом, данная конструкция детектора, в которой есть промежуточная непрозрачная для тяжелых заряженных ядер сетка на основе пленки с отверстиями, не пригодна для измерения энергии быстрых нейтронов. Кроме того, детектор с одинаковой эффективностью регистрирует вместе с полезными событиями захвата нейтрона также и любые другие фоновые частицы, влетающие в рабочий объем и поэтому имеет низкое соотношение сигнал/шум.
4
7
4
7
Наиболее близким по конструкции и технической сущности к достигаемому техническому результату является позиционно-чувствительный детектор, характеризующийся тем, что он включает герметичный корпус, заполненный газовой смесью с двумя активными газовыми объемами, отделенными друг от друга анодом, со сформированными на нем многослойными структурами (S. Potashev, A. Drachev, Yu. Burmistrov, S. Karaevsky, A. Kasparov, V. Ponomarev, and G, Solodukhov. Hybrid boron-10 gaseous detector for slow and fast neutron simultaneous detection. EPJ Web of Conferences 231, 05010 (2020) UCANS-8). По обе стороны анода из параллельных друг другу проволок расположены два катода, один из которых выполнен из стекла с конвертирующим слоем бора-10 предпочтительно толщиной от 1 до 3 мкм и алюминиевым слоем преимущественно толщиной от 0,1 до 0,2 мкм, а другой - из стеклотекстолита с металлическими дорожками, разделенных диэлектрическими промежутками. Анод и катоды установлены параллельно друг другу с помощью изолирующих проставок. Герметичный корпус с тонкими входным и выходным окнами, в котором размещена конструкция, заполнен рабочим газом при атмосферном давлении. Дорожки второго катода перпендикулярны проволочкам анода, позволяют определять две координаты нейтрона. Детектор оснащен также средствами газонаполнения, подачи высокого напряжения на анод, и выводами электрических сигналов с металлических дорожек катода и проволочек анода. Для измерения энергии медленных нейтронов в испытаниях использовался известный метод времени пролета. Испытания детектора в потоке медленных и быстрых нейтронов до энергии 7 МэВ показали, что спектр амплитуд в области энергий от 1 до 7 МэВ зависит от энергии нейтрона. Было найдено как расчетным способом, так и в эксперименте, что при установке высокого порога регистрации ионизационных потерь во втором чувствительном газовом зазоре преимущественно регистрируются события с ядром Li. В этом случае положение максимума в спектре амплитуд для первого газового зазора увеличивается с ростом максимальной энергии в потоке нейтронов. Малое расстояние до источника нейтронов и низкая эффективность для быстрых нейтронов позволяет измерять плотность и максимальную энергию потока быстрых нейтронов. Детектор обладает некоторой избирательностью к нейтронам, которые летят из канала источника по отношению к рассеянным нейтронам из фона. Особенно это свойство проявляется для быстрых нейтронов. Однако, неопределенность угла вылета ядра Не или Li из ядерной реакции не позволяет определить энергию породившего ее нейтрона, а неполное поглощение ядра во втором зазоре не позволяет однозначно определить какое именно ядро Не или Li регистрируется.
4
7
7
4
7
Этот недостаток описанного детектора можно устранить, если добавить дополнительные проволочные сетки слева и справа от анода для определения двух пар координат справа и слева от анода и, следовательно, угла вылета ядра Не или Li. Кроме того, можно подобрать плотность рабочей газовой смеси и толщину зазора так, чтобы обеспечить полное поглощение ядра Li во втором зазоре детектора. Это позволяет идентифицировать ядро Не или Li и определить энергию породившего ее нейтрона.
4
7
4
7
10 В
3
4
7
1
2
Задачей настоящего изобретения является создание такой конструкции детектора нейтронов, которая позволила бы получить новый технический результат: различать события, связанные с регистрацией ядра Не или Li, вызванные быстрым нейтроном с энергией в несколько МэВ и от событий медленных нейтронов. Определить энергию такого быстрого нейтрона по измерению амплитуд сигналов в двух последовательных газовых зазорах и углу вылета ядра Не или Li и определить координаты нейтрона. Выделять события, вызванные медленным нейтроном и определять его энергию по времени пролета и также определять его координаты. Идентифицировать события редкой ядерной реакции под действием быстрого нейтрона с энергией выше 1 МэВ на ядре  с вылетом ядра Н и двух ядер Не с определением энергии и координат нейтрона. Расчеты показывают, что избирательность детектора к нейтронам из канала источника по отношению к фону рассеянных нейтронов должна улучшиться по сравнению с избирательностью для наиболее близкого детектора по конструкции. При этом детектор должен иметь чрезвычайно низкую эффективность регистрации всех других частиц, рентгеновского, гамма и оптического излучения менее 10"с' см". Также детектор должен: измерять плотность потока как медленных, так и быстрых нейтронов с энергией в несколько МэВ и определять их соотношение; расширить энергетический диапазон регистрируемых медленных нейтронов до энергии, соответствующей граничной длине волны 20 А; за счет улучшения быстродействия детектора иметь возможность использовать его для измерения мощных потоков быстрых нейтронов, обнаружения радиоактивных изотопов и тем самым расширить области его применения, в том числе для использования в приборе, включающем не один детектор, а по крайней мере - два.
2
Поставленная задача решается тем, что создан детектор нейтронов, характеризующийся тем, что он включает герметичный корпус, заполненный газовой смесью. По обе стороны от двух максимально близко расположенных друг к другу анодов из массива тонких проволочек расположены два катода на основе кремниевых или алюминиевых пластинах с нанесенными на них слоями бора-10 или лития-6 и покрытые алюминиевым слоем. Между анодом и каждым катодом расположены две пары сеток с более толстыми проволочками. Каждая пара сеток имеет взаимно перпендикулярные массивы параллельных проволочек. Плоскости анода, четырех сеток и двух катодов установлены параллельно друг другу между изолирующих шайб. Входным и выходным окнами предпочтительно служат катоды. Структура катодов следующая: на каждой пластине из чистого кремния сформированы - тонкий диэлектрический слой, конвертирующий нейтроны слой толщиной предпочтительно от 1 до 5 мкм (обогащенный изотоп бор-10 или литий-6), закрытый тонким диэлектрическим слоем, слой алюминия предпочтительно от 0,1 до 0,3 мкм и предохраняющий от разрушения проводящий слой или слой полупроводника. Нанесенные слои обращены к сеткам и аноду. Суммарная толщина детектора преимущественно составляет менее 600 мкм при средней плотности вещества примерно 2,3 г/см. Корпус заполнен рабочим газом при атмосферном или повышенном давлении. Детектор оснащен также средствами наполнения газом, подачи основного напряжения на анод и частичных напряжений на катоды.
10 В
7
4
4
4
7
1
1
2
2
В отличие от известного детектора, заявляемый детектор позволяет определить энергию каждого быстрого нейтрона с энергией более 1 МэВ, а не только максимальную энергию совокупности нейтронов в потоке. В отличие от известного детектора, заявляемый детектор позволяет регистрировать две, а не только одно из вторичных ядер одновременно, что позволяет изучать сами ядерные реакции на ядре  под действием нейтронов. В отличие от известного детектора, заявляемый детектор содержит не один, а два конвертирующих слоя в составе двух катодов на основе кремния для увеличения эффективности в два раза, содержит также слой алюминия и предохраняющий от разрушения проводящий слой или слой полупроводника. Между катодами расположен анод из тонких вольфрам-рениевых покрытых золотом проволочек, который размещен между двумя парами проволочных сеток и который разделяет газовый объем на два равных по толщине активных объема, заполненный газовой смесью. В отличие от известного детектора, в заявляемом детекторе в дополнение к одному катоду с каждой стороны от анода добавлены по две взаимно перпендикулярных проволочные сетки с каждой стороны от анода. На анод и сетки подаются различные потенциалы так, чтобы обеспечить баланс сил, действующих на проволочки. Катоды на основе из кремния со слоем бора-10 могут являться также входным и выходным окнами. Алюминиевый слой на поверхности слоя бора-10 вместе с прилегающими к нему с двух сторон диэлектрическими слоями и предохраняющим от разрушения проводящим слоем или слоем полупроводника имеют такую толщину, чтобы их не могли преодолеть ядра Li с энергией 0,841 МэВ, которые образуются под действием медленных, в частности, тепловых нейтронов. Преимущественно, эта толщина составляет 0,2-0,3 мкм. Кроме того, такая толщина позволяет существенно ограничить конус вылета ядер Не из той же ядерной реакции, что позволяет выделить узкий диапазон величин потерь энергии ядер Не и, тем самым улучшить степень идентификации этих событий. Проволочки первой сетки расположены перпендикулярно проволочкам второй сетки и тем самым обеспечивают измерение двух координат Y и Х Проволочки третьей сетки расположены перпендикулярно проволочкам четвертой сетки и тем самым также обеспечивают измерение двух координат Y и Х. В отличие от известного детектора, заявленная новая конструкция позволяет измерять энергию зарегистрированного нейтрона энергией больше МэВ по амплитудам сигнала с сеток и измерять энергию медленного нейтрона по времени пролета. При этом детектор обладает высокой степенью подавления фона и шумов, так как его работа основана на измерении частичной потери энергии ядра Не или Li в первом чувствительном зазоре и одновременном измерении полной потери энергии в двух чувствительных зазорах одного из ядер. Малое количество вещества и применение в качестве основы катодов тонкой пластины из кремния на пути нейтронов существенно снижает порог регистрации по энергии детектора и дает возможность собирать на основе таких детекторов системы для регистрации медленных нейтронов с нижней граничной длиной волны 20А. Такая многослойная система обладает увеличенной эффективностью регистрации нейтронов.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция заявленного позиционно-чувствительного детектора нейтронов, где:
1 - основание герметичного корпуса с входным окном
2 - крышка герметичного корпуса с выходным окном
3, 4 - катоды на основе пластин из кремния
5, 6 - аноды из проволочек
1
2
7, 9 - сетки из параллельных проволочек координаты Y и Y
1
2
8, 10 - сетки из параллельных проволочек координаты X и Х
11 - изолирующие шайбы.
На фиг. 2 представлена конструкция заявленного позиционно-чувствительного детектора нейтронов в разрезе.
1
2
1
2
1
2
3
4
7
Конструкция заявленного позиционно-чувствительного детектора нейтронов, содержащего герметичный корпус, выполненный в виде алюминиевых основания 1 с входным окном и крышки 2 с выходным окном и уплотнениями для герметизации. Внутри корпуса расположена сборка параллельных электродов. Катоды на основе пластин из кремния 3 и 4 присоединены электрически к основанию 1 и к металлической крышке 2 соответственно и находятся под нулевым потенциалом. Между катодами расположены два анода 5 и 6 из тонких проволочек, на которые подается основное высокое напряжение. Расстояние между катодом 3 и анодом 5 и расстояние между катодом 4 и анодом 6 одинаковы. Между анодом 5 и катодом 3 расположены две сетки из параллельных проволочек 7 и 8. При этом проволочки сеток 7 и 8 взаимно перпендикулярны. Между анодом 6 и катодом 4 расположены две сетки из параллельных проволочек 9 и 10. На сетки подаются такие частичные напряжения, которые обеспечивают баланс действующих на проволочки электростатических сил. При этом проволочки сеток 9 и 10 взаимно перпендикулярны. Проволочки сеток 7 и 9 направлены горизонтально и служат для регистрации сигналов координат Y и Y. Проволочки сеток 8 и 10 направлены горизонтально и служат для регистрации сигналов координат X и Х. Проволочки анода 5 направлены под углом 45° по отношению к сетке 7 и позволяют измерять дополнительную координату U, а проволочки анода 6 направлены под углом 135° по отношению к сетке 7 и позволяют измерять дополнительную координату U. Корпус заполнен рабочим газом, например фреоном или другим газом с высокой плотностью при атмосферном или повышенном давлении, которое выбирается таким образом, чтобы получить полное поглощение в промежутке между катодом 4 и анодом 6 для одного из выбранных для работы ядер: Н, Не или Li. В основание 1 вмонтированы герметичные контакты для подачи основного напряжения питания, для подачи частичных напряжений и вывода электрических сигналов с проволочек сеток и газовые вводы. Изолирующие шайбы 11 обеспечивают точные расстояния между анодами, сетками и катодами в сборке. В основание 1 установлена система из пружин для подвешивания сборки из катодов, сеток и анодов.
Проволочки анодов ориентированы под некоторым углом к проволочкам всех сеток, преимущественно под углом 45° и соединены через цепь последовательных одинаковых резисторов. Это позволяет, как и в известном детекторе регистрировать ионизационный сигнал для определения дополнительной координаты. Получение этой дополнительной координаты вместе с измерением координат от сеток позволяет идентифицировать и получать углы вылета и координаты одновременно двух ядер. Это необходимо для исследования ядерных реакций под действием быстрых нейтронов с энергией более 1 МэВ.
В таблице 1 приведены данные по эффективности регистрации детектора для разных длин волн медленных нейтронов и быстрых нейтронов с энергией 3 МэВ.
10
4
7
10
4
7
4
-6
7
-8
7
-2
-1
Проведено Монте-Карло моделирование реакции  в слое Втолщиной 3 мкм и регистрацией ядер Не и Li с учетом сечения реакции и ионизационных потерь в газовых зазорах. Для каждой энергии нейтрона показано сечение реакции на В, эффективность реакции, а также эффективность регистраций каждого из ядер Не и Li при условии, что ядро дало сигнал во втором газовом зазоре при пороге 100 кэВ. Малая эффективность регистрации частиц Не (~10) и частиц Li (~10) будет полезна для регистрации высоких потоков >10 см⋅с.
Работа позиционно-чувствительного детектора нейтронов основана на взаимодействии нейтронов с ядрами бора-10 (или лития-6). Нейтрон проходит через пластину и одновременно окно из кремния, диэлектрический слой и попадает в конвертирующий слой из бора-10 (или лития-6). В конвертирующем слое 10 нейтрон вступает в реакцию с ядром бора или лития. В результате ядерной реакции с бором-10 вылетают два заряженных ядра и гамма-квант:
В результате ядерной реакции с литием-6 вылетают два заряженных ядра
6
Для медленных нейтронов реакция (1) происходит с вероятностью 94%, а реакция (2) происходит с вероятностью 6%, из которой вылетают только два заряженных ядра. Для нейтронов с энергией 3 МэВ реакция (1) происходит с вероятностью 30%, а реакция (2) происходит с вероятностью 70%. Для нейтронов с энергией более 1 МэВ реакция (1) происходит с вероятностью 1%. Для нейтронов с энергией более 1 МэВ реакция (4) имеет ничтожно малое сечение так, что детектор с конвертером на основе Li используется только для регистрации медленных нейтронов.
тепл.
тепл.
1
1
2
2
10 В
4
7
6
4
3
10
7
Поперечное сечение ядерной реакции под действием тепловых нейтронов (1) (σ=3,8 10" м) превышает в 4 раза поперечное сечение ядерной реакции (4) ((σ=0,94×10" м), что позволяет при использовании бора в детекторе иметь более высокие эффективности регистрации нейтронов. Согласно представленным уравнениям (1) и (2) в случае использования бора-10 () из конвертирующего нейтроны слоя вылетают ядра Не и Li, а в случае лития-6 (Li) вылетают ядра Не и Н (уравнение 4). Образующиеся ядра вылетают изотропно в противоположных направлениях, а угол между их траекториями всегда составляет примерно 180°. Поэтому только одно ядро попадает в газовый объем детектора и приводит к ионизации молекул газа. При использовании конвертера из  В в случае нейтрона с энергией более 1 МэВ по измеренным амплитудам в двух зазорах детектора и углу вылета ядра идентифицируется ядро Li. Это было показано расчетным образом и экспериментально при условии установки высокого порога регистрации во втором зазоре детектора. В результате этого, по траектории движения ядра в одном или двух газовых промежутках, разделенных анодом 5, образуются положительные ионы и электроны. Между полупроводящим слоем первого катода 3 и анодом 5, а также между анодом 5 и полупроводящим слоем второго катода 4 подается постоянное напряжение таким образом, что анод имеет положительный потенциал, а потенциал обоих катодов является нулевым. На сетки 6, 7, 8 и 9 подаются частичные потенциалы, равные основному потенциалу, умноженному на расстояние между данной сеткой и ближайшим катодом и деленному на расстояние между анодом и катодом. Таким образом, электростатические силы, действующие на все проволочки анода и сеток, уравновешиваются. Образующиеся при ионизации газа электроны осуществляют дрейф в электрическом поле по направлению к аноду. Вблизи проволочек анода происходит усиление сигнала за счет размножения электронной лавины и за счет вторичной ионизации. Наведенный заряд положительных ионов вблизи сеток собирается на сетках Y (6), X (7), Y (8) и Х (9), генерируют в них измеряемый электрический сигнал, пропорциональный ионизационным потерям. По электрическим сигналам с проволочек сеток и анода определяются проекции траекторий движения обоих ядер на плоскость анода. Измерительной аппаратурой регистрируются только те парные сигналы, которые совпадают во времени и имеют амплитуду, заданную в узких интервалах, определяемых энергиями вылетающих ядер из ядерной реакции, что позволяет отфильтровать случайные сигналы, полученные от ионизации, произведенной в газовых объемах детектора частицами фонового излучения.
Таким образом, данная конструкция детектора обеспечивает расширение области его применения за счет возможности определения энергии нейтрона при энергии свыше 1 МэВ по измеренным амплитудам сигналов в двух газовых зазорах и по времени пролета для медленных нейтронов; определения двух координат нейтронов; позволяет снизить порог регистрации в область медленных нейтронов, а также существенно снизить регистрацию фоновых событий независимо от природы их происхождения. В этом заключается достижение нового технического результата.