НЕЙТРОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР НА БАЗЕ ПРОТОННОГО ТЕЛЕСКОПА
PROTON TELESCOPE-BASED NEUTRON SPECTROMETER

Область техники
Изобретение относится к области технической физики, а точнее к области регистрации и спектрометрии быстрых нейтронов и может быть использовано в области физики реакторов и экспериментальной нейтронной физике.
Уровень техники
Известен телескоп на основе пропорционального счетчика для спектрометрии быстрых нейтронов [1].
Детектор представляет собой пропорциональный счетчик, заполненный водородосодержащим газом. Корпус имеет форму цилиндра с внутренним диаметром 19,5 см и длиной 98 см с изоляционными пластинами на его концах, которые служат для ограничения рабочего объема детектора. Между этими пластинами натянуты 26 сигнальных нитяных электродов, объединенных в три группы GW, AW, BW, и один центральный электрод CW.
Электрическое поле, выходящее из центрального электрода CW, замыкается на группу из шести электродов DW, ими формируется центральный детекторный объем. Последующая группа электродов AW, состоящая также из шести электродов, вырабатывает сигналы антисовпадений, это означает, что протоны отдачи покинули рабочий объем телескопа. Поле от группы AW связано с группой электродов DW и с группой входных электродов GW. Группа GW выравнивает поля в целом объеме детектора. Для гомогенизации электрического поля используются радиально расположенные пластины из тефлона, причем приняты меры для подавления эффекта от протонов отдачи, родившихся внутри пластин. Параллельно центральной нити на расстоянии 1 см протянута стрипповая нить, которая физически разделена в трех точках. Таким образом, создаются четыре независимые области рабочего объема. Триггером измерений является появление сигнала от совпадений трех участков триггерной нити; появление импульса с четвертого участка означает, что пробег протона не укладывается в объеме телескопа.
Недостаток этого устройства заключается в том, что из-за большого количества сигнальных электродов очень трудно обеспечить однородность электрического поля по всей длине детектора, что влечет за собой неоднородность газового усиления и ухудшение энергетического разрешения детектора.
Известен спектрометр быстрых нейтронов с использованием техники быстрых совпадений в пропорциональных счетчиках [2].
Спектрометр представляет пропорциональный счетчик, заполненный водородосодержащим газом. Корпус изготовлен из нержавеющей трубы с внутренним диаметром 120 мм и длиной от 455 мм. Спектрометр состоит из двух катодных тонкостенных алюминиевых трубок, выполняющих роль пропорциональных счетчиков А и В, с общей центрально расположенной анодной нитью. Счетчики А и В имеют толщину 0,15 мм, диаметр 62 мм и длину 130 мм. Расстояние между счетчиками А и В составляет 1 мм. Анодная нить из нержавеющий стали имеет диаметр 0,05 мм. К сигнальным выводам анода и катодов подключена электронная система, которая содержит предусилители, усилители, одноканальный анализатор, дискриминаторы, схему быстрых совпадений, многоканальный амплитудный анализатор.
Недостаток этого устройства заключается в том, что коллимация протонов отдачи проводится путем измерения и отбора времени прихода сигналов с трубок, что не позволяет надежно дискриминировать случаи попадания протонов на стенки второй трубки, и прибор может применяться только для измерения моноэнергетических нейтронов.
Известен спектрометр быстрых нейтронов с использованием протонов отдачи в газе (прототип) [3].
Спектрометр представляет собой пропорциональный счетчик, заполненный водородосодержащим газом. Корпус изготовлен из нержавеющей трубы с внутренним диаметром 120 мм и длиной от 455 мм. Спектрометр состоит из трех катодных тонкостенных трубок, выполняющих роль пропорциональных счетчиков А, В и С, с общей центрально расположенной анодной нитью. Счетчики А и В имеют толщину 0,15 мм, диаметр 90 мм и длину 150 мм. Счетчик С имеет длину 70 мм. Анодная нить из никеля имеет диаметр 0,09 мм. Между счетчиками А и В расположен 5 мм коллимационный тефлоновый диск для протонной коллимации, имеющий 800-1000 отверстий. Сигнальные выводы анода и катодов подключены к электронной системе, которая содержит линии задержки, предусилители, усилители, фазовый инвертор, схему совпадений и антисовпадений, многоканальный амплитудный анализатор.
Недостаток этого устройства заключается в наличии диска-решетки, который нарушает однородность газового усиления пропорционального счетчика, что приводит к ухудшению энергетического разрешения детектора. Использование диска также существенно уменьшает эффективность детектора.
Необходимость измерения кинетической энергии нейтронов появилась одновременно с их открытием. Вся сложность данной проблемы состоит в отсутствии электрического заряда, что приводит к требованию трансформации кинетической энергии нейтрона в энергию какой-либо заряженной частицы. Сам факт регистрации разделяется на 2 существенно разнящихся задачи:
- первая - для регистрации медленных тепловых нейтронов используются ядерные реакции, имеющие гигантские сечения взаимодействия по сравнению с типично ядерными сечениями.
- вторая - как правило, связана с измерениями энергетических распределений быстрых нейтронов, при этом используются результаты нейтрон-ядерных взаимодействий, для которых сечения взаимодействия не более десятка барн. В области резонансных энергий (от 0 до около 100 кэВ) применяется метод времени пролета, требующий импульсного характера работы нейтронного источника. Другой метод - измерение энергии протонов отдачи в водородосодержащих сцинтилляционных материалах с последующей процедурой восстановления спектров. Частным случаем применения этой методики являются протонные телескопы, в которых измеряется энергия протонов отдачи в газовой среде. Этому способу спектрометрии быстрых нейтронов посвящена данная работа.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, решаемой данным спектрометром, является повышение точности измерения энергии быстрых нейтронов в физическом эксперименте.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что нейтронный спектрометр на базе протонного телескопа (детектор нейтронов) содержит герметичный корпус, заполненный водородосодержащим газом, являющимся газовой протонной мишенью, телескопическое устройство, состоящее из двух катодных тонкостенных трубок, выполняющих роль пропорциональных счетчиков с общей центрально расположенной анодной нитью, а сигнальные выводы анода и катодов подключены к электронной системе.
В качестве протонной мишени используется слой газа в первой трубке, толщина и положение которого произвольно выбирается при обработке информации в электронной системе; вторая трубка служит в качестве коллиматора протонов отдачи, а выбор минимального угла коллиматора осуществляется после обработки информации в электронной системе.
Электронная система содержит предусилители, усилители, аналого-цифровые преобразователи и многомерный амплитудный анализатор.
В электронной схеме каждый из двух анодов и катод подключен к входам соответствующих предусилителей, выходы которых подключены к входам соответствующих спектрометрических усилителей, а их выходы подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП), информация с которых через контроллер КАМАК и интерфейс USB поступает в персональный компьютер (ПК); ПК, АЦП и контроллер КАМАК образуют электронную систему накопления многомерной информации, которая осуществляет функции дискриминации, совпадения сигналов анода и катодов и запись многомерной амплитудной информации, при обработке которой получается энергетический спектр нейтронов в выбранной, при помощи программ, области газовой мишени и заданном телесном угле рассеяния протонов отдачи в детекторе.
Катоды детектора подключены к дополнительному источнику напряжения.
Для выявления отличительных признаков приводим сравнительный анализ прототипа и предполагаемого изобретения.
Прототип состоит из двух пропорциональных счетчиков с общей анодной нитью в общем герметичном корпусе, наполненном водородосодержащим газом. Счетчики изготовлены в виде тонкостенных катодных трубок. Сигналы снимаются с анодной нити и с обеих катодных трубок. Энергия протонов отдачи с поправкой на потери в полиэтиленовом радиаторе в точности пропорциональна амплитуде анодного импульса.
Предлагаемое изобретение построено на базе двух пропорциональных счетчиков с общей анодной нитью в общем герметичном корпусе, наполненном водородосодержащим газом. Центрально расположенная анодная нить проходит через весь объем телескопа. Первая катодная трубка (длиной 175 мм) располагается непосредственно в начале детектора, вторая (с длиной 125 мм) - на расстоянии 152.5 мм от первой трубки. В рабочем режиме в создании анодного импульса принимают участие все четыре части объема детектора, которые имеют разные радиусы. Для выравнивания коэффициента газового усиления на катодные трубки подается напряжение смещения.
В прототипе коллимация рассеянных протонов отдачи осуществляется с помощью механического коллиматора, расположенного непосредственно между двумя счетчиками. Он построен на базе тефлонового диска, в котором перпендикулярно торцевой поверхности просверлено большое число сквозных коллинеарных дырок. После прохождения сквозь них пучок протонов отдачи оказывается колимированным параллельно общей анодной нити. Сигналы с обеих катодных трубок после усиления и дискриминации подаются на входы схемы совпадений. Импульс с выхода схемы означает, что протон отдачи зарегистрирован в обоих счетчиках одновременно и импульс с анодной нити может быть подан на амплитудный анализ. В состав телескопа включена третья катодная трубка, расположенная непосредственно после второй. Импульс с нее после усиления и дискриминации подается на запрещающий вход амплитудного анализатора. Появление этого сигнала означает, что трек протона покинул рабочую область телескопа, и такое событие не включается в набор полезной информации.
В предлагаемом изобретении коллимация осуществляется программно с помощью установки (цифровым образом) порогов дискриминации сигналов, которые снимаются с катодов обеих трубок:
a) Изменением порога дискриминации (от максимальной амплитуды в сторону уменьшения) импульсов в первой трубке можно менять толщину газового слоя, расположенного в начале трубки, в котором могут происходить акты рассеяния нейтронов на протонах, т.е. определять толщину и месторасположение газовой мишени;
b) Порог дискриминации амплитуды импульсов во второй трубке устанавливается в районе максимума, что соответствует факту полного прохождения протонов отдачи в объем трубки.
В предлагаемом изобретении факт совпадения во времени дискриминированных импульсов от обеих трубок соответствует полному расположению треков в объеме телескопа и однозначно (с точностью до сечения (n, p) упругого взаимодействия), без потерь на пассивные участки движения протонов.
В предлагаемом изобретении в объеме первой трубки находится начало треков протонов. Из этого следует, что потери энергии с высокой точностью пропорциональны длинам траекторий, следовательно, устанавливая порог дискриминации, можно точно выбрать толщину газового слоя мишени.
В прототипе наличие диска-решетки нарушает цельность объема пропорционального счетчика. Использование диска уменьшает существенным образом эффективность детектора.
В предлагаемом изобретении цельность объема позволяет менять принцип работы телескопа - переходить к коллимации с использованием методики анализа спектров по форме импульсов, как и с одновременным применением обеих методик.
Изменение порога дискриминации импульсов в первой трубке позволяет менять телесный угол, в пределах которого работает телескоп, тем самым динамическим образом оптимизировать как эффективность, так и энергетическое разрешение прибора.
Вместо порога дискриминации во второй трубке можно использовать вычисляемое аналитическим способом пороговое значение энергии протонов отдачи, чьи треки больше или равны максимально возможной длине трубки от границы выбранного края объема мишени до конца трубки.
3
Для энергетической калибровки в области 1,5-2,0 МэВ, а также для измерения собственного разрешения детектора в состав газового наполнения введено небольшое количество Не.
Отличительными признаками заявленного изобретения является то, что:
- в качестве протонной мишени используется слой газа в первой трубке, толщина и положение которого произвольно выбирается при обработке информации в электронной системе;
- вторая трубка служит в качестве коллиматора протонов отдачи, а выбор минимального угла коллиматора осуществляется после обработки информации в электронной схеме;
- каждый из двух катодов и анод подключен к входам соответствующих предусилителей, выходы которых подключены к входам соответствующих спектрометрических усилителей, а их выходы подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП);
- информация с АЦП через контроллер КАМАК и интерфейс USB поступает на персональный компьютер (ПК); ПК, АЦП и контроллер КАМАК образуют электронную систему накопления многомерной информации, которая осуществляет функции дискриминации совпадения сигналов анода и катодов и запись многомерной амплитудной информации;
- при обработке многомерной информации получается энергетический спектр нейтронов в заданной области газовой мишени и заданном телесном угле рассеяния протонов отдачи в детекторе;
- катоды детектора подключены к дополнительному источнику напряжения, для выравнивания коэффициента газового усиления по всей длине детектора.
Совокупность вышеуказанных признаков позволяет повысить точность измерения энергии быстрых нейтронов при физическом эксперименте.
Перечень чертежей
Приложение 1, Фиг.1 показывает чертеж детектора.
Приложение 1, Фиг.2 показывает блок-схему спектрометра.
3
Приложение 2, Фиг.3 показывает реакцию n+Не→р+Т+763.77 кэВ.
252
Приложение 3, Фиг.4 - полученные результаты с помощью стандартного Cf источника нейтронов и полиэтиленового блока-замедлителя.
252
241
Приложение 4, Фиг.5а) и 5б) - представлен результат измерений с помощью стандартного Cf источника нейтронов и полиэтиленового блока-замедлителя и α-источник Am.
3
Приложение 5, Фиг.6 - представлены результаты измерения спектров от реакции Не (n, p)Т+763.77 кэВ.
Краткое описание чертежей
В ЛНФ ОИЯИ разработан нейтронный спектрометр на базе телескопа протонов отдачи, в котором был применен метод электронной коллимации.
На приложении 1, фигуре 1 представлен чертеж детектора, где:
(1) Корпус.
(2) Анодная нить.
(3) Первый катод (трубка 1).
(4) Второй катод (трубка 2).
(5) Тефлоновые кольца.
(6) Стойки.
(7) Сигнальные выводы.
(8) Вакуумный экран.
Корпус 1 изготовлен из тонкостенной нержавеющей трубы с внутренним диаметром 96 мм и длиной 625 мм. По длине всей рабочей части детектора протянута 50 мкм анодная нить 2. В самом начале рабочего объема расположен первый катод 3 в виде трубки с длиной 175 мм, на расстоянии 152.5 мм от его края смонтирован второй катод 4 длиной 125 мм. Оба электрода изготовлены из тонкостенной трубки из нержавеющей стали с внутренним диаметром 54 мм, они поддерживаются и центрируются с помощью тефлоновых колец 5. Сами кольца расположены на шести стойках 6. Три сигнальных вывода 7 и вакуумный кран 8 расположены на заднем фланце.
На приложении 1, фигуре 2 представлена блок-схема спектрометра, где:
(1) Корпус.
(2) Анодная нить.
(3) Первый катод (трубка 1).
(4) Второй катод (трубка 2).
(9) Источник высокого напряжения (анод).
(10) Выравнивающий источник напряжения (катоды).
(11) Предусилитель.
(12) Спектрометрический усилитель.
(13) АЦП.
(14) Контроллер КАМАК с интерфейсом USB.
(15) Персональный компьютер (ПК).
Вне корпуса 1 телескопа расположена электронная аппаратура. Анодная нить 2 подключена к источнику положительного высокого напряжения 9, первый 3 и второй 4 катоды подключены к выравнивающему источнику напряжения 10. Сигналы с катодов и анода подаются на входы трех предусилителей 11. Выходы предусилителей подключены к входам соответствующих спектрометрических усилителей 12, а их выходы подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей АЦП 13, которые преобразуют амплитуду входного аналогового сигнала в цифровой код, который через контроллер КАМАК 14 с интерфейсом USB поступает в ПК 15.
Устройство работает следующим образом.
Быстрые нейтроны регистрируются с использованием метода протонов отдачи.
Энергия протонов после упругого соударения с падающим потоком нейтронов определяется по формуле (1):
3
где θ - угол между векторами скоростей протона и нейтрона в системе центра масс. В приложении 2 на фиг.3 показана реакция: n+Не→р+Т+763.77 кэВ.
Соответственно, энергетическое разрешение будет определяться по формуле (2):
Сигналы от протонов отдачи в объеме детектора усиливаются за счет эффекта газового усиления на анодной нити и попадают на предусилители, работающие в зарядочувствительном режиме. Эти же импульсы наводят сигналы на катодные трубки, причем их амплитуда линейно зависит от количества ионов и электронов в том участке, который находится внутри объема трубок. Таким образом, эти сигналы строго соответствуют энергоотдаче пролетающих протонов.
Эффективность детектора определяется двумя составляющими:
-4
- телесным углом ΔΩ, который накладывает жесткие требования к выбору взаимного расположения катодных трубок. Величина ΔΩ была вычислена с помощью программы, основанной на методе Монте-Карло, как отношение числа событий, удовлетворяющих условиям коллимации к полному числу попыток. В случае когда толщина слоя газа в мишени равнялась 8 см, ΔΩ составляла 3×10 от полного угла 2π (учитывая рассеяние только вперед);
2
-2
- собственная эффективность регистрации событий, которая определяется плотностью газового наполнения (числом ядер водорода на единицу площади мишенного объема) n, cm и сечением упругого рассеяния при данной энергии падающего нейтронного потока.
3
Добавление небольшого количества Не в газовую смесь позволяет экспериментально измерить два исключительно важных параметра протонного телескопа:
252
1. Собственное энергетическое разрешение детектора. С помощью стандартного Cf источника нейтронов и полиэтиленового блока-замедлителя была измерена величина σ. Полученные результаты представлены на Приложении 3, фигуре 4. С увеличением давления газовой смеси в объеме величина σ слегка увеличивается - от 1.5% до около 2%, что можно объяснить не полной компенсацией напряжения смещения на катодных трубках.
2. Пик полного поглощения энергии протонов и тритонов в объеме детектора позволяет проводить энергетическую калибровку с высокой точностью вплоть до 2 МэВ энергии протонов отдачи. Возможно также использовать стеночные эффекты для выделения ступеньки в энергетическом спектре тритонов для работы телескопа, при очень низких энергиях нейтронного потока.
3
Энергетическая калибровка в области 100-500 КэВ проводится по граничным энергиям тритонов и протонов от реакции Не (n, p) Т-190 и 573.77 кэВ соответственно.
Принцип формирования газовой мишени
Изменением порога дискриминации (от максимальной амплитуды в сторону уменьшения) импульсов в первой трубке можно менять толщину газового слоя, расположенного в начале трубки, в котором происходят акты рассеяния нейтронов на протонах, т.е. детерминировать толщину и месторасположение газовой мишени. В объеме первой трубки находится начало треков протонов. Из этого следует, что потери энергии, с высокой точностью, пропорциональны длинам траекторий протонов, следовательно, устанавливая порог дискриминации, можно точно выбрать толщину газового слоя мишени.
241
252
241
241
Для проверки независимости наведения сигналов в каждой катодной трубке был проведен следующий эксперимент: к начальному торцу первой трубки был прикреплен α-источник Am, давление в объеме детектора составляло 1.2 атм, что исключало возможность попадания α-частиц из объема первой трубки в объем второй трубки. В приложении 4, на фигуре 5а) и 5б) представлен результат измерений с помощью стандартного Cf источника нейтронов и полиэтиленового блока-замедлителя и α-источника Am. Полностью отсутствует какое-либо возмущение спектра, полученного во второй (α-источник Аm) катодной трубке, в то же время в первой трубке регистрировались сигналы с большой амплитудой.
3
k0
a0
k1
В приложении 5, на фигуре 6 представлены результаты измерения спектров от реакции Не (n, p) Т+763.77 кэВ. Совмещение двух пиков - т.е. выравнивание коэффициентов газового усиления во всем объеме детектора достигается с помощью подачи положительного потенциала на катодные трубки U, величина которого определяется путем подбора. Следует отметить, что этот подбор проводится особо тщательно - до полного совпадения обоих пиков - один раз при заданном анодном напряжении U, при необходимости изменения анодного напряжения новое значение U можно вычислить по формуле (3):
a1
где U - измененное напряжение на анодной нити.
Предложенный спектрометр решает задачу повышения точности измерения энергии быстрых нейтронов и, кроме того, расширяет энергетический диапазон измерения энергии нейтронов.
Источники информации:
1. Nuklear instruments and methods 169 (1980) 69-75. Proportional counter telescopes for fast neutron spectrometry. H Borst. Gesellschaft für Strahlen - und Umweltforschung mbH, München, FRG Revised manuscript, received 28 August 1979.
2. Nuklear instruments and metnods 91 (1971) 57-60. A. fast meutron spectrometer with fast coincidence technigue in proportional counters. M.Mizuho and T.Yamanaka. Radioisotope School, Japan. Atomic Energy Research Institute 2-28-49, Hon-Komagome, Bunkyo-ku, Tokyo, Japan. Received 6 July 1970.
3. Nuklear instruments and metnods 75 (1969) 85-92. A gas recoil fast neutron spectrometer. M. Mizuno. Radioisotope School, Japan. Atomic Energy Research Institute 2-28-49, Hon-Komagome, Bunkyo-ku, Tokyo, Japan. Received 12 June 1969.