Детекторы тепловых и холодных нейтронов

Значительное увеличение задач, связанных с определением структурных параметров в кристаллических, биологических и наноразмерных объектах в последние десятилетия требуют развития методов исследования структуры вещества на атомном и надатомном масштабе. Среди множества таких методов наибольшую применимость обрели исследования структуры посредством рассеяния на нём пучка тепловых и холодных нейтронов. Нерегулярная зависимость амплитуд рассеяния нейтронов на ядрах позволяет эффективно определять параметры структуры, зависящие от расположения ядер атомов, а наличие магнитного момента у нейтрона позволяет изучать магнитную структуру образца. Помимо этого, нейтрон обладает высокой проникающей способностью, что позволяет изучать объемные образцы, а исследования с помощью рассеяния нейтронов характеризуются как неразрушающие. Вышеперечисленные причины привели к развитию нейтронных исследовательских установок, ключевой частью которых является детекторная систе- ма, регистрирующая распределение рассеянного на изучаемом образце потоке нейтронов во времени и в пространстве.

Особенности работы детекторов различных типов не позволяют выделить универсальный детектор, который был бы оптимален для задач и методик каждой отдельно взятой нейтронной установки. В статье будут рассмотрены основные типы современных детекторов тепловых нейтронов и их применимость на станциях нейтронного рассеяния.

Конвертация нейтронов

Как известно, нейтрон является косвен-но-ионизирующим излучением. Это значит, что непосредственно нейтрон не будет рождать электронно-ионные пары в рабочем объёме детектора. По этой причине для регистрации нейтронов применяются материалы-конвертеры. Нейтронным конвертером называют ядро, которое после захвата нейтрона испытывает деление (ncapture, fission) или испускание частиц (ncapture, X). Именно дочерние ядра – продукты деления ядра-конвертера вызывают первичную ионизацию и возбуждение ядер рабочего вещества детектора. Зависимость сечения поглощения нейтрона ядром зависит от энергии нейтрона, поэтому для конвертации выбираются ядра, обладающие наибольшим сечением поглощения для определенного энергетического диапазона нейтронов. Помимо сечения, важными факторами в выборе материала конвертора является высокая концентрация требуемых ядер и коммерческая доступность. Наиболее распространёнными реакциями, используемыми в детекторах тепловых нейтронов, являются:

• ⁶Li + n -> α(2,05 МэВ) + ³H(2,72 МэВ), о_а(Е_п = 0,025) = 940 b;

• ¹⁰B + n -> α(1,47 МэВ) + ⁷Li(0,84 МэВ) + γ(0,48 МэВ) (93,7%),

• ¹⁰B + n -> α(1,78 МэВ) + ⁷Li(1,01 МэВ), (6,3 %), а_а(Е_п = 0,025) = 3837 b;

• ³He + n -> p(0,57 МэВ) + ³H(0,19 МэВ), а_а(Е_п = 0,025) =5328 b;

• ¹⁵⁵Gd + n ->¹⁵⁶Gd + γ(0,08, 0,18, 0,28 МэВ) + conv.electrons, <г_а(Е_п = 0,025) = 60740 b;

• ¹⁵⁷Gd + n ->¹⁵⁶Gd + γ(0,08, 0,18, 0,28 МэВ) + conv.electrons, ^_а(Е_п = 0,025) =253200 b.

Несмотря на то, что изотопы гадолиния обладают наибольшим сечением захвата теплового нейтрона, распад составного ядра сопровождается электронами конверсии и гамма-квантами, которые также будут ионизировать рабочий газ, вызывая ложные срабатывания и снижая отношение сигнал-шум (С/Ш). Следующим претендентом на роль конвертора тепловых нейтронов выступает газ Не-3. На большинстве нейтронных установок использу- ется именно детекторы на основе Не-3 под давлением до 20 атм.

Далее по величине сечения абсорбции теплового нейтрона идет изотоп ¹⁰В. В недавнем прошлом в качестве рабочего вещества детектора использовался газ BF 3 , который по ряду своих параметров уступал газовым детекторам на основе Не-3. Современные возможности магнетронного напыления позволяют изготавливать тонкопленочные системы на основе изотопа В-10, использование которых в детекторах позволяет достигать эффективности регистрации, сопоставимой с гелиевыми детекторами.

Особое место занимают детекторы тепловых нейтронов на основе 6Li. Детекторы на основе лития, преимущественно, являются сцинтилляционными (литиевые стекла, ND-экраны), главное преимущество которых это возможность реализации детектирующей поверхности произвольной формы.

В статье приведен обзор используемых в настоящее время детекторов тепловых и холодных нейтронов. Отдельно обсуждается устройство и принцип действия детектора тепловых и холодных нейтронов на основе плоскопараллельной резистивной камеры, разрабатываемой автором.

Детекторы на основе 3He

Гелиевые детекторы тепловых и холодны нейтронов, как правило, наполняются газовой смесью ³He + CF 4 или ³He + инертный газ [1,2]. Это делается для уменьшения длины свободного пробега продуктов конвертации. На рис.1 представлен процесс конвертации нейтрона ядром гелия. противоположных

Ionization Centroid

Sphere of centroids from many neutron events

Distribution of centroids \ projected in one-dimension

Рис. 1

. Конвертация нейтрона ядром 3Не [3]

Было показано, что средний радиус сферы центроиды связан пробегом протона как R c =0,4R p , где R c – радиус центроиды, R р – пробег протона, а пространственное разрешение ПШПВ=0,8R p [4]. Таким образом, для улучшения пространственно-

(^ ) к dx J

4nz2

ionization

пег2тес2

го разрешения необходимо уменьшать пробег протона в рабочем газе.

Ионизационные потери для тяжелых заряженных частиц при энергиях E кинетиче-ская <покоя, которые в основном определяют пробег заряженной частицы в веществе, выражаются формулой:

[in (21‘^') - in(1 - ^ 2 ) - ^ 2 ]

Учитывая, что плотность электронов вещества n e = Zn A , где n A – плотность ядер вещества, Z – заряд ядер в единицах заряда электрона, можно выразить n e через параметры среды: n e = Zn A = ZρN A /A (N А – число Авогадро, А – массовое число ядер

-( d^ )        = 3,1 •ю⁵ -^-(11,2+in /' )-

V ^dx iioniaation               ^AP              ²⁽¹ P V ^см

Исходя из формулы (2) можно заключить, что для повышения разрешающей способности детекторов на основе гелия-3 необходимо либо увеличивать плотность газовой смеси, либо увеличивать эффективный зарядовый номер. Увеличение плотности газа достигается путем заполнением детекторов газовой смесью с давлением вплоть до 30 атм, однако такое высокое давление обуславливает наличие толстых стенок или толстого входного окна у детектора (>1 мм) из сплавов типа АМГ-6 или подобных ему. Толстые стенки детектора сильно отражают и рассеивают поток холодных нейтронов, что приводит вещества среды, ρ – плотность вещества среды в г/см3). Тогда формула удельных ионизационных потерь тяжелых частиц преобразуется к виду, более удобному для вычислений:

к искажению измеряемого распределения рассеянного пучка нейтронов, что в свою очередь затрудняет определение структурных параметров изучаемых объектов. Второй путь повышения локализации места конвертации нейтрона – увеличение эффективного зарядового числа газовой смеси. Для этого, как правило, используются инертные газы – Ar, Kr, Xe, которые позволяют увеличить Z с минимальным влиянием на работу детектора – они практически не вступают в химические реакции с конструкционными материалами детекторов.

Гелиевые детекторы нейтронов можно разделить на счетчики и позиционночувствительные детекторы одно- или двухкоординатные. Примером однокоор- динатного детектора может служить цилиндр-катод с резистивной нитью-анодом в центре, наполненный газом под давлением 10-20 атм (рис. 2).

anode-wire resistance R

• -*j summation [•-------------------------------------------

• v Q a + Q в ~ energy loss in the detector

'                I               Q A division |- position of the particle track X

• Рис. 2. Схематичное изображение гелиевого счетчика с резистивной нитью

В случае одномерного счетчика с резистивной нитью локализация места захвата нейтрона производится по различию амплитуд сигналов на концах анодной нити детектора. Условно это можно представить так, что сигнал от ионизации снимается с резисторов с различным сопротивлением, которое определяется от места захвата до соответствующего конца анодной нити. Сопротивление участка нити определяет амплитуду снимаемого сигнала. Работают такие детекторы, как правило, в пропорциональном режиме.

Многопроволочные пропорциональные камеры (МПК) могут быть как однокоор- динатными, так и двухкоординатными. Схема двухкоординатной многопроволочной камеры представлена на рисунке 3.

В данному случае позиция конвертации определяется методом центра тяжести амплитуд соседних проволочек. В силу плоской геометрии корпуса детектора многопроволочные камеры работают при избыточном давлении газовой смеси менее 12 атм. Однако даже такое относительно невысокое давление обеспечивает эффективность конвертации тепловых (1,8 Å) нейтронов на уровне 60%.

Рис. 3. Схематичное изображение многопроволочной пропорциональной камеры [1]

К общим недостаткам гелиевых детекторов можно отнести:

• -    радиально спадающее поле, которое обеспечивает газовое усиление только вблизи анодной проволоки, из-за чего длительность сигнала составляет ~ 1 мкс, что ограничивает загрузочную способность и временное разрешение в ряде экспериментов;

• -    толстые стенки или входное окно, что ограничивает прохождение холодных нейтронов;

• -    выгорание анодных проволок со временем и их полная деструкция. Перетяжка анодных проволок требует не только откачки газа, но и фиксации новых проволок с тем же натяжением, что является весьма трудоемкой задачей.

Однако несмотря на все особенности работы детекторов на основе гелия-3 такие системы остаются наиболее популярными на станциях нейтронного рассеяния.

Детекторы на основе 6Li

Детекторы тепловых и холодных нейтронов на основе лития являются, в основном, сцинтилляционными. Существует два основных типа сцинтилляционных детекторов на основе лития – это литиевые стекла и ND-экраны. Стоит отметить, что в последнее время появились работы посвященные кристаллам LiInSe, которые одновременно обладают сцинтилляционными и полупроводниковыми свойствами.

Литиевые стекла были очень популярны в конце 90-х начале 0-ых годов для регистрации тепловых нейтронов в силу относительно невысокой стоимости и прозрачности к собственному излучению, что позволяло увеличивать толщину для повышения эффективности регистрации. Из недостатков стекол, подтолкнувших к дальнейшему развитию литиевых конвертеров, можно отнести малый выход фотонов на нейтрон (~6000), высокая гамма-чувствительность и радиационное изменение оптической плотности [5]. Основным преимуществом литиевых стекол можно назвать малое время высвечивания (75 нс), что обеспечивает высокую скорость счета и загрузочную способность на уровне > 1 МГц. В зависимости от потребностей экспериментаторов для съема света применяются ФЭУ, SiPM или ФЭУ вместе со спектросмещающими оптическими волокнами (СОВ).

ND-экран (neutron detection) – это спрессованная пластина из порошка LiF и ZnS(Ag) [6]. В силу того, что такие пластины, особенно небольшой площади, являются пластичными, эта особенность позволяет изготавливать детекторы со сложной поверхностью регистрации [8] (см. рис. 4).

Рис. 4. Внутренней устройство модуля детектора АСТРА [8]

Основными недостатками этого детектора являются «рваная» форма сигнала (см. рис. 5), непрозрачность к собственному излучению и длительностью высвечивания на уровень в 10% ~ 8 мкс [8]. Ос- новным преимуществом, по сравнению с литиевыми стеклами, является сниженная на два порядка чувствительность к гамма-квантам.

Рис. 5. Сигнал от попадания нейтрона, полученный со сцинтилляционного детектора (ND-экран +ФЭУ)

Аналогично литиевым стеклам, свет ND-экранов может быть зарегистрирован напрямую ФЭУ/SiPM или системой СОВ+ФЭУ/SiPM.

Как и в случае с радиационным изменением прозрачности литиевых стекол, оптический клей, применяемый в изготовление детекторов на основе системы ND-экрана и СОВ, подвержен радиационному старению. Под действием потока ионизирующих излучений оптический клей со временем желтеет, увеличивая оптическую плотность и снижая эффективность работы всей детекторной системы.

Детекторы на основе 10В

Несмотря на большое количество созданных прототипов на основе BF 3 [9-11] борные детекторы не нашли широкого применения, так как значительно уступают в эффективности гелиевым при одинаковом избыточном давлении. К тому же трифторид бора является высокотоксичным газом и коррозионно-активным, что приводит к быстрой деградации рабочей газовой смеси.

Развитие методов электровакуумного осаждения тонких пленок дали детекторам тепловых и холодных нейтронов на основе бора второй шанс на активное использование. Уже сейчас МПК и плоскопараллельные резистивные камеры (ППРК), а также детекторы типа Multi-blade и Multi-grid с пленками карбида бора, обогащенные по изотопу 10В, начинают набирать популярность в современных центрах нейтронных исследований [12-17].

Появившиеся в 1980-ых годах [18], плоскопараллельные резистивные камеры нашли широкое применение в физике вы- соких энергий [19-23] благодаря временным характеристиками и относительной дешевизне при высокой эффективности и возможности покрытия больших телесных углов.

Классическая архитектура однозазорной ППРК представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Архитектура классической ППРК

Различие между классической (используемой в физике высоких энергий) и нейтронной ППРК заключается только в наличии пленки-конвертера В 4 С, обогащенной по изотопу ¹⁰В > 95% и расположенной газовом промежутке.

Работают такие детекторы в проточном режиме (рабочая газовая смесь постоянно обновляется). Эта особенность исключает потребность в толстом входном окне, что открывает возможность работы с холодными нейтронами (> 10 Å).

Плоскопараллельная резистивная камера может включать в себя один или несколько газовых промежутков, образованных электродами с допуском по плоскости менее 1 мкм. Такие требования предъявляются к электродам ввиду того, что газовые зазоры в детекторах такого типа, как правило, колеблются в диапазоне 200-400 мкм. Отклонение от плоскости на поверхности электрода может привести к изменению направления и амплитуды вектора напряженности электрического поля, что приведет к изменению режима газового усиления. Помимо этого, для создания многозазорного детектора необходимо, чтобы применяемые электроды были бы «прозрачны» для индукции сигнала на считывающие электроды. Соответствующий вышеуказанным требованиям и коммерчески доступный материал это терм-пополированное стекло. Идеально ровная поверхность термополированного стекла обусловлена технологией его производства – разогретая кварцево-известковая смесь выливается на поверхность жидкого легкоплавкого металла (как правило – олова), а диэлектрическая проницаемость Ɛ=5 обеспечивает наведение сигнала достаточной амплитуды на стрипы, выступающих в роли считывающих электродов. Система нескольких газовых промежутков и электродов их образующих составляют стек, крайние электроды которого выступают в роли анода и катода. Для формирования электрического поля в газовом промежут- пью и не заземлены. Эффекта накопления ке на внешние в стеке электроды, на по- заряда не происходит ввиду компенсации верхность, не находящуюся в газовом промежутке, наносится полупроводящая эмаль с поверхностным сопротивлением 5–20 Мом/□. Высокое напряжение подается на эмаль из-за чего в газовом промежутке формируется однородное электрическое поле. Движение лавины, рожденной первичной ионизацией, индуцирует сигнал на считывающие электроды – стрипы. Стрипы, изготовленные как правило из меди, располагаются на печатной плате из стеклотекстолита.

Многозазорная архитектура ППРК включает в себя помимо внешних электродов, покрытых эмалью, внутренние «плавающие» электроды. Внутренние электроды не соединены с питающей це- лавин разного знака из соседних зазоров.

Существенным преимуществом плоскопараллельной геометрии является однородное электрическое поле. Это значит, что газовое усиление будет происходить сразу же после рождения первичной ионизации в отличие проволочных камер, где заряд еще какое-то время дрейфует до ме- ста, в котором напряженность поля достаточна для ускорения электрона и вторичной ионизации газа.

Основными недостатком такого типа детектора является относительно быстрое накопление заряда, а также постоянный поиск компромисса между эффективностью и площадью.