Двумерные детекторы тепловых и холодных нейтронов размерами 120x120 мм и 380x380 мм с активным слоем из бора-10

Двумерный детектор медленных нейтронов на основе твердого ¹⁰B и пропорциональной камеры может использоваться в качестве монитора нейтронного потока или детектора для установки малоуглового рассеяния для исследования наноструктур при длине волны нейтронов от 0.9 Å [1], а при длине волны 8 Å — для исследования структуры биомолекул [2]. Такой детектор является альтернативой детекторам нейтронов на основе дорогостоящего изотопа гелий-3, обладает большей стабильностью параметров. Разделение функций конвертирования нейтрона в заряженные частицы с помощью слоя бора-10 и последующего детектирования этих частиц решает не только проблему стабильности газовой смеси, но и позволяет работать при нормальном давлении дешевых газов. Локализация точки взаимодействия нейтрона в плоскости слоя бора-10 позволяет достичь высоких координатного и временнόго разрешений. Недавно было заявлено о создании детектора с многослойной структурой ¹⁰B [3] с форматом активной площади 200 × 200 мм, однако реально был построен детектор из 3 слоев с эффективностью 8 % при λ = 1.82 Å. Преимуществом детекторов на основе твердого ¹⁰B является малая толщина входного окна, долговечность, возможность применять его в экспериментах с холодными нейтронами [4].

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

ДЕТЕКТОР РАЗМЕРАМИ 120 × 120 мм

Детектирование основано на регистрации заряженных частиц 4He и 7Li, вылетающих из ядерных реакций взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами 10B с сечением 3837 бн:

n + ¹⁰B → (с вероятностью 93.6 %)

⁴He (1.472 МэВ) + ⁷Li (0.841 МэВ) + γ (0.476 МэВ);

n + ¹⁰B → (с вероятностью 6.4 %) ⁴He (1.476 МэВ) + ⁷Li (1.013 МэВ).

Конструкция ионизационного детектора размером 120 × 120 мм представлена на рис.1. Передний катод представляет из себя 2 мм стеклянный диск с нанесенным на него 3 мкм слоем ¹⁰В и слоем алюминия толщиной 0.1 мкм. Анод состоит из массива проволочек из сплава ВР20 с шагом намотки 2 мм. Задний катод изготовлен из стеклотекстолита и имеет изолированные медные полоски шириной 2 мм. Расстояние между анодом и каждым катодом равно 2 мм. Проволочки анода и полоски заднего катода взаимно перпендикулярны друг другу и соединены между собой через сопротивления величиной 20 Ом. Для определения координаты x (или y ) применяется метод деления заряда из соотношения амплитуд сигналов X 1 и X 2 (или Y 1 и Y 2 ) с двух концов распределенного сопротивления. Потенциал анода составляет от +620 до +920 В для газовой смеси Ar + 25% CO 2 + + 0.3% CF₃Br при нормальных условиях.

Рис. 1. Устройство пропорциональной камеры.

1 — крышки корпуса; 2 — боковая стенка корпуса; 3 — болты и гайки; 4 — окно; 5 — пластина из стекла; 6 — слой бора-10; 7 — слой полиимида; 8 — слой алюминия; 9 — высоковольтный сигнальный проволочный анод координаты x ; 10 — сигнальный полосковый катод координаты y ; 11 — фторопластовый кожух детектирующего элемента; 12 — фиксатор стеклянной пластины; 13 — несущий элемент проволок

Рис. 2. Корреляции амплитуд сигналов X 1 и X 2 при 700 В

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ С ДЕТЕКТОРОМ 120 × 120 мм

Детектор испытывался на компактном источнике нейтронов ИЯИ РАН на базе ускорителя электронов ЛУЭ-8 с максимальной плотностью потока тепловых нейтронов ~107 см–2 с–1. Детектор был размещен под углом 60º к пучку на расстоянии ~ 6 м от бериллиевой мишени.

На рис. 2 представлена двумерная диаграмма корреляций между амплитудами сигналов X 1 и X 2 при напряжении питания U = 700 В. Спектр суммы амплитуд X 1 и X 2 , из которого получено амплитудное разрешение ~15 %, приведен на рис. 3.

Рис. 3. Спектр амплитуды при 700 В

Рис. 4. Координатный спектр при 700 В

Табл. 1. Расчетные значения эффективности детектора

Порог, МэВ	λ = 1.82 Å	λ = 4 Å	λ = 8 Å	λ = 16 Å
0.01	6.2 %	8.8 %	11.6 %	15.0 %
0.2	4.5 %	6.3 %	8.2 %	10.5 %

Рис. 5. Корреляции амплитуд X ₁ и X ₂ при 650 В

Спектр координаты x показан на рис. 4. Структура максимумов и минимумов отражает изменение эффективности вблизи проволочек и между проволочками при напряжении U = 700 В. Из факта наблюдения этой структуры получаем оценку координатного разрешения ~ 2.5 мм. Скорость счета в детекторе при максимальном токе пучка ~ 40 мкА составляла ~ 25 с–1. Из телесного угла детектора и величины плотности потока нейтронов получена оценка эффективности детектора ~ 4 %. Сравнения измеренных и расчетных амплитудных спектров с учетом толщин слоев 10B и алюминия позволяет определить порог регистрации, составивший величину 0.2 МэВ. В табл. 1 приведены расчетные значения эффективности детектора при двух порогах регистрации.

В другом эксперименте перед детектором была установлена кадмиевая диафрагма толщиной 2 мм таким образом, что правый край был закрыт вдоль оси x . Ширина открытого окна составляла 7.5 см. На рис. 5 представлена диаграмма корреляций между амплитудами сигналов X 1 и X 2 при напряжении U = 650 В. Главная часть событий 99.99 % концентрируется в эллиптическом пунктирном локусе. Для событий, попадающих в этот эллиптический локус, координатный спектр для горизонтальной координаты x представлен на рис. 6. Для тех 0.01 % событий вне эллиптического локуса характерны амплитуды, на порядок превышающие амплитуды для событий внутри эллиптического локуса. Как показали измерения в тех же условиях на ускорителе, но без бериллиевой мишени, вклад фоновых событий составил не более 0.001 %.

Рис. 6. Координатный спектр при 650 В для событий внутри эллиптического локуса

ПРОЕКТ МНОГОСЛОЙНОГО ДЕТЕКТОРА РАЗМЕРОМ 380 × 380 мм

многопроволочной пропорциональной камеры с двумя активными слоями представлена на рис. 7.

Корпус детектора состоит из двух 20 мм дюралюминиевых рам с окном для нейтронов из алюминий-магниевого сплава АМГ6 толщиной 0.5 мм и площадью (380 · 380) мм2. Между рамами последовательно расположены:

• •    алюминиевый катод с 2.5 мкм слоем ¹⁰В и с 0.2 мкм слоем алюминия;

• •    изолирующая рама;

• •    рама-анод с проволокой толщиной 20 мкм с шагом намотки 2 мм, координата X 1 ;

• •    рама-катод с проволокой толщиной 50 мкм с шагом намотки 1 мм, координата Y 12 ;

• •    рама-анод с проволокой толщиной 20 мкм с шагом намотки 2 мм, координата X 2 ;

• •    изолирующая рама;

• •    алюминиевый катод с 2.5 мкм слоем ¹⁰В и с 0.2 мкм слоем алюминия.

Все элементы камеры герметизируются с помощью вакуумной резины и стягиваются по периметру болтами.

Аноды состоят из 192 параллельных и изо-

Вышеописанный детектор является прототипом для многослойного детектора с активными слоями толщиной 2.5 мкм 10B, нанесенными на алюминиевый катод. Конструкция базового модуля лированных друг от друга проволочек диаметром 20 мкм из вольфрам-рениевого сплава, покрытого золотом, и крайних охранных проволок толщиной 50, 80 и 200 мкм, расположенных с шагом 2 мм.

Рис. 7. Устройство ионизационной камеры.

1 — несущая рама; 2 — изоляторы из полиимида; 3 — верхний катод из алюминия со слоем бора-10, покрытый алюминием; 4 — высоковольтный проволочный анод координаты X 1 ; 5 — сигнальный проволочный катод координаты Y 12 ; 6 — высоковольтный проволочный анод координаты X 2 ; 7 — полевые проволочки диаметром 50, 80 и 200 мкм для плавного спадания поля на краях; 8 — нижний катод из алюминия со слоем бора-10 покрытый алюминием; 9 — резиновое уплотнение; 10 — рама из кварца и компаунда; 11 — плата с элементами задержки и предварительным усилителем; 12 — болт и гайка

Центральный катод, расположенный в середине сборки камеры, состоит из электрически разъединенных 192 пар проволочек диаметром 50 мкм из покрытой золотом бериллиевой бронзы. Шаг проволочек равен 1 мм. Проволочки анодов перпендикулярны проволочкам катода. Слои бора-10 направлены внутрь сборки электродов. Плотность газа внутри камеры выбирается так, чтобы пробег вторичных заряженных частиц не превышал зазор между центральным и периферийными катодами. Для увеличения суммарной эффективности в детекторе размещают последовательно несколько базовых модулей.

Проволочки каждой рамы соединены между собой через дискретные линии задержки величиной 1.25 нс, состоящие из дискретных индуктивностей и емкостей. Таким образом, общая задержка сигнала каждого анода и катода составляет 239 нс. Сигналы с двух концов линии задержки каждого анода и центрального катода поступают на входы усилителей. Импульс триггера события запускается при превышении порога дискриминатора сигналом на выходе предварительного усилителя с одного из катодов.

Эффективность регистрации нейтронов зависит только от толщины слоя 10B. Эффективность незначительно падает за счет толщины входного окна и других элементов, находящихся перед активными слоями пропорциональной камеры.

Пространственное разрешение в основном зависит от парциального давления CF 4 . Увеличение парциального давления улучшает разрешение, но и повышает рабочее напряжение питания камеры. Зазор между анодом и катодом составляет 6.67 мм. Объем газа внутри рам равен 4.27 л.

СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ

Структурная схема системы сбора данных на основе трех аналого-цифровых сигнальных процессоров DT5720 фирмы CAEN изображена на рис. 8. Первый и второй модули 13 (DT5720-0) и 14 (DT5720-1) работают с минимальным квантом времени 4 нс и используют 2 канала и 4 канала регистрации соответственно. Третий модуль 17 (DT5720-2) использует квант времени 1 мкс и один канал регистрации. Синхроимпульс ускорителя подается на вход "tr-2" и в течение заданного времени в канале "0-2" модуля 17 регистрирует форму каждого импульса, поступающего с выхода формирователя 15, на вход которого поступают сигналы с предварительных усилителей 3 и 4 центрального катода пропорциональной камеры. Импульс с выхода формирователя 15, который свидетельствует о детектировании очередного нейтрона, подается на вход "tr-1" модуля 14

Рис. 8. Структурная схема системы сбора данных с модулями CAEN DT5720

и транслируется в нем на выход "gpo", который подается на вход "tr-0" модуля 13. Сигналы, подаваемые на входы "tr-0" и "tr-1", запускают кодирование формы сигналов, поступающих с двух концов катодной линии задержки для координаты Y через предварительные усилители 3 и 4 и усилители 9 и 10 на входы "0-1" и "1-1" модуля 14. Одновременно эти сигналы запускают кодирование формы сигналов, поступающих с двух концов анодных линий задержки для координаты X 1 через предварительные усилители 1 и 2 и усилители 7 и 8 на входы "0-0" и "1-0" и координаты X 2 через предварительные усилители 5 и 6 и усилители 11 и 12 на входы "2-0" и "3-0" модуля 13 для определения координат этого нейтрона.

Кодирование и запись данных о координатах нейтрона из модулей 13 и 14 в память компьютера осуществляются в течение 300 нс, после чего эти модули приводятся в исходное состояние ожидания поступления новых сигналов на входы "tr-0" и "tr-1".

Кодирование и запись данных о времени пролета нейтрона из модуля 17 в память компьютера осуществляются в течение периода 1000 мкс, после чего этот модуль приводится в исходное состояние

N

4 000 -

3 000 -

2 000 -

1 000 -

1.5

d E , МэВ

Рис. 9. Распределение по энергии ионизации в газе ожидания поступления нового сигнала синхроимпульса ускорителя на вход "tr-2".

Из осциллограмм определяются точное положение вершин импульсов, а по ним временн е отметки для определения координат X 1 , X 2 и Y и времени пролета нейтрона. За период между синхроимпульсами ускорителя можно зарегистрировать данные о нескольких нейтронах.

Модуль содержит малошумящий усилитель и формирователь со следящим порогом.

Параметры усилителя:

• •    Коэффициент

преобразования              0.2 В / 1 мкА

• •    Динамический

диапазон сигналов, мкА         от 0.3 до 4

• •    Время нарастания и время среза выходного импульса           10 нс

Параметры формирователя:

• •    Диапазон нижнего порога, В         0÷0.5

• •    Диапазон верхнего порога, В           0÷2

• •    Временнόе разрешение

выходного импульса              170 пс

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДЕТЕКТОРА

На рис. 9 представлен ожидаемый спектр заряженных частиц, вылетающих из слоя толщиной 2.5 мкм кристаллического ¹⁰B с плотностью 2.35 г/см³. Необходимо также учитывать ослабление потока нейтронов за счет 2 мм толщины входного окна и первого электрода, которое составляет 2 % при λ = 1.82 Å, 6.5 % при λ = 4 Å, 10 % при λ = = 8 Å. Для каждой последующей пары слоев необходимо учитывать ослабление потока нейтронов в 2 мм алюминиевой пластине. Полная эффективность детектора определяется суммарным слоем ¹⁰B . В табл. 2 приводим расчетную эффективность для различных длин волн нейтронов. Эффективность детектирования нейтрона зависит только от толщины слоев бора-10, доли вылетевших альфа-частиц и ядер лития-7, а также от эффективности регистрации их пропорциональной камерой. В состав газовой смеси входит Ar, CO 2 и фреон CF 4 . Фреон уменьшает пробег вылетающих частиц, что улучшает позиционное разрешение детектора. Кроме того, фреон вместе с CO 2 препятствуют возникновению непрерывного газового разряда. Пространственное разрешение определяется главным образом зазором анод—катод, размерами области ионизации, создаваемой вылетающими частицами, шагом проволок регистрирующих катодов и величиной элементарной дискретной задержки сигнала между соседними проволочными стрипами. Размер области ионизации зависит от пробегов альфа-частицы и ядра лития-7 в газе. Позиционное разрешение за счет геометрии вылета частиц равно 3.4 мм. Распределение координаты представлено на рис. 10. Другой фактор, влияющий на пространственное разрешение, — метод считывания. Если временнόе разрешение составляет 0.5 нс и задержка между двумя прόволочками с шагом 2 мм составляет 1.25 нс, то вклад этого фактора 0.7 мм.

Табл. 2. Расчетная эффективность многослойного детектора (%)

Число слоев	λ , Å
	1.82	4	8	16
2	10.0	13.7	17.7	21.1
4	19.0	25.5	32.3	37.7
6	27.1	35.7	44.2	50.9
8	34.4	44.5	54.1	61.2
10	41.0	52.1	62.2	69.4

Рис. 10. Распределение по координате центра тяжести лавины

Из двухслойных модулей собирается многослойный детектор. Полная эффективность детектора определяется суммарным слоем ¹⁰B . В табл. 3 приводим расчетную эффективность для различных длин волн нейтронов. Созданное в ИЯИ РАН оборудование позволяет создавать большие многослойные позиционно-чувствительные детекторы на основе слоев ¹⁰B и ионизационных камер. Рамы камер изготавливаются методом вакуумного литья из термически обработанной смеси кварцевого песка и компаунда в пресс-форме. Точность изготовления не хуже 0.02 мм. Из элементов рамы и печатных плат электродов на монтажном столе склеивается рама. Намотка проволоки на раму осуществляется на станке с точностью шага прόволочек 0.02 мм. Слой ¹⁰B формируется на поверхности пластины, фольги или полиимидной пленки. Из рам электродов собирается пакет детектора.

Табл. 3. Технические характеристики разрабатываемого детектора

№	Параметр	Величина	Комментарий
1	Активная площадь	(384 · 384) мм2	Окно 400 × 400 мм
2	Толщина слоя 10B	2.5 мкм	Два слоя имеют 5 мкм 10B
3	Рабочий газ	5(CF 4 ) : 4(Ar) : 1(CO 2 )	Общее давление 1 бар
4	Пространственное разрешение	3.5 мм	За счет физической неопределенности — 3.4 мм, за счет метода считывания —1 мм
5	Эффективность регистрации нейтронов детектором из 2 слоев	10.3 % при λ = 1.82 Å; 14.7 % при λ = 4 Å; 19.6 % при λ = 8 Å; 25.6 % при λ = 16 Å	Электронная лавина регистрируется от каждой заряженной частицы с порогом регистрации 50 кэВ
6	Эффективность регистрации нейтронов детектором из 10 слоев	41.0 % при λ = 1.82 Å; 52.2 % при λ = 4 Å; 62.2 % при λ = 8 Å; 69.4 % при λ =16 Å	Электронная лавина регистрируется от каждой заряженной частицы с порогом регистрации 50 кэВ
7	Эффективность по γ	< 0.001 %	Измерения с детектором 120 × 120 мм
8	Катодная проволока	50 мкм	Бериллиевая бронза
9	Анодная проволока	20 мкм	Вольфрам—рений, покрытая золотом
10	Катод	1) 500; 2) 2.5; 3) 0.1 мкм	1) Al; 2) 10B; 3) Al
11	Расстояние анод—катод	6.67 мм	Катод—анод; анод—дрейфовый электрод
12	Габариты	650×650×80 (190) мм	Для 2 слоев; в скобках указано для 10 слоев
13	Вес	45 (110) кг	Для 2 слоев; в скобках указано для 10 слоев

ВЫВОДЫ

• 1.    Создан 2D-детектор тепловых и холодных нейтронов на основе слоя ¹⁰B и ионизационной камеры размером 120 × 120 мм.

• 2.    Детектор имеет низкую чувствительность к γ -квантам и быстрым нейтронам. Соотношение эффект./фон <10^–5. Амплитудное разрешение ~15 %, координатное разрешение ~2.5 мм.

• 3.    Имеющееся в ИЯИ РАН оборудование позволяют создавать позиционно-чувствительные детекторы тепловых нейтронов на основе слоев ¹⁰B с форматом рабочей площади 380 × 380 мм.

• 4.    Эффективность детектора из 10 слоев ¹⁰B будет составлять ~41 % при длине волны 1.82 Å и до 62 % при 8 Å с разрешением 4 мм, что соответствует лучшим мировым образцам с рекордной рабочей площадью (380 · 380) мм².