Новый узконаправленный нейтронный спектрометр в комплексной системе мониторинга

Космические лучи (КЛ) — потоки заряженных частиц различных энергий, на ~90 % состоящие из высокоэнергичных протонов. Источники галактических КЛ (ГКЛ) находятся в межзвездном пространстве и к Земле приходят приблизительно изотропно. Солнечные КЛ (СКЛ) также в основном состоят из протонов, но их источником является Солнце. Проникая в атмосферу Земли, КЛ взаимодействуют с ней различными способами в зависимости от энергии частиц и плотности окружающего их вещества. В верхних слоях вещество атмосферы разряжено и заряженные частицы теряют свою энергию преимущественно в процессе ионизации. Начиная с высоты 15–20 км над уровнем моря, возрастает вероятность ядерных реакций, в ходе которых появляются каскады вторичных частиц, состоящие из электромагнитной и адронной, в том числе нейтронной, компонент. Нейтроны, образовавшиеся в результате этих реакций, имеют широкий диапазон энергий (до десятков ГэВ) и распространяются вглубь атмосферы, достигая поверхности Земли. В процессе распространения они теряют энергию. Таким образом, у Земли существуют потоки нейтронов различных энергий, начиная с тепловых (0.025 эВ). При этом потоки нейтронов малых энергий, как правило, остаются без внимания. В то же время именно они участвуют в ядерных реакциях.

В ПГИ мониторинг потока нейтронов различных энергий производится на созданном регистрирующем комплексе [Maurchev, Balabin, 2016; Германенко и др., 2016] . В его состав входят стандартный НМ (счетчики СНМ-15, 18-NM-64; энергия >50 МэВ), бессвинцовая секция НМ (БСНМ, 4 СНМ-15, эффективная энергия регистрации от тепловых энергий до единиц МэВ). Для расширения возможностей системы сбора данных в дополнение к имеющемуся оборудованию был установлен узконаправленный нейтронный спектрометр (УНС). Особенностью данного устройства является, как следует из названия, довольно узкая диаграмма направленности (~15°), которая обеспечивается конфигурацией защиты вокруг счетчиков. УНС состоит из трех счетчиков, разделенных слоями замедлителя, — таким образом, задаются три диапазона по энергиям. Подробнее конструкция описана в разделе 1. Следует заметить, что предварительно она была рассчитана с помощью пакета GEANT4. Внешний вид модели показан на рис. 1.

• 1.    УСТРОЙСТВО УНС

В результате моделирования были получены геометрические параметры устройства, фронтальная проекция которого показана на рис. 2. В качестве детекторов нейтронов применяются гелиевые счетчики СНМ-18 с эффективностью регистрации ~70 %. С ростом энергии нейтрона эффективность регистрации счетчиком резко падает, высокоэнергичные нейтроны проходят сквозь счетчик без взаимодействия. Счетчики установлены друг над другом и окружены слоем парафина толщиной 15 см, который эффективно замедляет нейтроны с энергией Е <1 МэВ. Между счетчиками и парафиновой массой расположен слой вещества толщиной 4 см, содержащий бор, поглощающий тепловые нейтроны. В результате данный детектор практически недоступен для тепловых нейтронов, пришедших в него под большими углами, и имеет небольшой угол приема частиц, составляющий 15°. Между тремя счетчиками проложен дополнительный слой парафина толщиной 5 см, замедляющий попавшие в УНС через окошко нейтроны. Верхний счетчик, не закрытый парафиновым слоем, регистрирует нейтроны тепловых энергий. Средний счетчик, разделенный с входным окошком парафиновой вставкой 5 см — нейтроны с энергиями до Е <100 кэВ. Нижний счетчик, разделенный с входным отверстием парафиновым слоем 10 см, регистрирует нейтроны в диапазоне энергий 0.1< Е <1 МэВ. Среди преимуществ этого детектора можно выделить его мобильность за счет использования СНМ-18 с малыми габаритами (длина 320 мм, диаметр 32 мм). Вследствие использования этих счетчиков УНС не обладает высокой статистической точностью (его погреш-

Рис. 1 . Трехмерная модель УНС, полученная в результате расчета при помощи GEANT4. Желтым цветом показан парафин, красным — область поглотителя, обеспечивающая защиту от тепловых нейтронов, входящих со стороны парафинового замедлителя. Верхний счетчик показан серым цветом, зеленые линии — треки нейтронов, влетающих в приемное отверстие УНС

Рис. 2. Сечение проекции модели УНС. Желтым цветом показан парафин, играющий роль замедлителя нейтронов, красным — борсодержащий поглотитель, обеспечивающий защиту от тепловых нейтронов вне приемного окошка, серым — гелиевые счетчики ность в счете составляет для верхнего счетчика 1.9 %, для среднего 3.2 %, а для нижнего 4.7 %). Скорость счета для каждого из счетчиков очень низкая, поэтому нами использовались среднесуточные значения для наблюдения за вариациями нейтронного потока.

В качестве детектирующих объектов используются пропорциональные ³He-счетчики, эффективное сечение захвата нейтронов при энергии Е ≈0.025 эВ составляет σ =5400 барн. Канал реакции может быть выражен формулой

• ³He 2 + n –>³H 1 +p+0.765 МэВ. (1)

  

  Рис. 3 . Расчетная эффективность регистрации нейтронов в зависимости от толщины пластины над счетчиком ( а ) и угла прихода частиц ( б )

  
  

  В ходе этой реакции образуются ядро трития и протон, которые вызывают вторичную ионизацию. Продукты реакции, ионизируя газ, накапливаясь на нити (аноде) и на стенках (катоде) детектора, формируют электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна энергии этой частицы, а точнее, энергии, затраченной частицей на первичную ионизацию среды детектора [Широков, Юдин, 1980] . Если первичный нейтрон имеет энергию выше тепловой (0.025 эВ <  Е < 1 МэВ), он замедляется вследствие реакции упругого рассеяния на атомах водорода, входящего в состав парафина. При одном таком взаимодействии нейтрон теряет до половины своей энергии. В случае, когда Е >1 МэВ, сечение реакции рассеяния резко падает и нейтрон с большой долей вероятности пролетает сквозь материал детектора.

  2. РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ УНС

  Для расчета геометрических параметров, определяющих угол обзора, и функции отклика устройства в зависимости от энергии и угла прихода частиц в данной работе использовался программный пакет GEANT4. При моделировании расчет параметров материалов и конфигурация приемного окошка устройства определялись таким образом, чтобы максимально расширить диапазон измеряемых энергий, а также обеспечить узконаправлен-ность детектора. Сечения взаимодействий нейтрона с веществом до энергий Е =10 МэВ выбирались с использованием базы ENDF/B-VII.1 [Chadwick et al., 2011] . Использовались также стандартные электромагнитные процессы для моделирования работы ³Не-счетчиков.

  Модельный эксперимент состоял из двух частей. На первом этапе верхний счетчик помещался под пластину замедлителя с разной толщиной (2, 4, 8 см). Генератор частиц был реализован так, чтобы нейтроны падали строго перпендикулярно, имея равномерное распределение по площади окошка. Во второй части эксперимента пластина была убрана и направление частиц генерировалось под разными

  
  
3. ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ НЕЙТРОННЫХ ПОТОКОВ РАЗЛИЧНЫХ ЭНЕРГИЙ

углами (0, 15 и 45°) относительно центральной части УНС. Эффективности регистрации, полученные в результате проведенных расчетов, показаны на рис. 3, а , б . Видно, что наличие пластины между счетчиками позволяет реализовать функцию калориметра в устройстве, а окошко обеспечивает узкона-правленность детектора, исключая попадание нейтронов, пришедших под большими углами.

Регистрация данных с УНС велась в течение года с момента его реализации (с 1 января 2016 по 31 декабря 2016 г.), полученные результаты были сохранены в базе данных общей системы мониторинга. Интенсивности счета УНС совместно с НМ и БСНМ в зависимости от дней года показаны на рис. 4. Видно (рис. 4 а , в ), что показания верхнего счетчика УНС хорошо согласуются с результатами регистрации нейтронов при помощи БСНМ и указывают на присутствие сезонной вариации в интенсивности нейтронов с энергиями от 0.025 эВ до 1 МэВ. Зависимость скорости счета от времени года для стандартного НМ 18-NM-64 отсутствует, как и для нижнего счетчика УНС (рис. 4, г , д ), что объясняется чувствительностью к более энергичным нейтронам. Средний счетчик УНС имеет слабовыраженную сезонную вариацию (рис. 4, б ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Узконаправленный детектор тепловых нейтронов значительно расширяет возможности комплексной системы сбора данных, установленной на станции НМ. За время эксплуатации было показано, что устройство не только обладает функциями спектрометра, включая в себя три канала регистрации, но и позволяет измерять степень анизотропии потока тепловых нейтронов в приземном слое. При помощи УНС проведены наблюдения в течение года и получены данные, которые подтверждают полное соответствие реальной и расчетной эффективности прибора.

Рис. 4 . Профили счета детекторов: верхний счетчик нейтронного спектрометра ( а ); средний счетчик спектрометра ( б ); бессвинцовая секция нейтронного монитора ( в ); нижний счетчик спектрометра ( г ); стандартный нейтронный монитор ( д )

Следует заметить, что устройство не только способно работать в составе существующей системы сбора данных, но может также дополнить знания о тепловой части спектра нейтронов у Земли, полученного в [Pioch et al., 2011] .