Разработка детекторов нейтронов для спектрометра Скан-3 в ОИЯИ

Одной из задач прецизионного трехплечевого гибридного магнитного спектрометра SCAN-3 [1, 2] в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне является регистрация нейтронов от распада ту-мезонного ядра по тгп- и рп-каналам. Энергия образующегося нейтрона для тгп- и рп-каналов составляет 90 и 300 МэВ соответственно. Единственным способом осуществить спектрометрию быстрых нейтронов является использование метода времени пролета (ТОР). Для достижения требуемой точности измерений необходимо измерять время пролета с точностью не хуже, чем 400 нс [2].

Недостатком существующих нейтронных детекторов является большая неопределенность пролетной длины для детектируемых частиц. Это связано с большой толщиной детектора и вероятностным характером регистрации нейтронов. Регистрация происходит только в случае ядерного взаимодействия пролетающих нейтронов с детектором и, как следствие, расстояние от места рождения нейтрона до места столкновения может варьироваться в широких пределах. При этом неопределенность в пролетной длине является ограничением на точность восстановления энергии нейтронов. Наиболее перспективным подходом к решению данной задачи является создание многослойных нейтронных детекторов (МНД). Многослойная конструкция детектора позволяет уменьшить неточность определения точки взаимодействия нейтрона с веществом детектора.

Используемый метод спектрометрии нейтронов высоких энергий по времени пролёта имеет погрешность измерений скорости нейтрона 6 • V 63 • с, где 63 имеет вид (1):

63 = 7(     )2 + (),                                  (1)

V ст ст²

где L - расстояние, проходимое нейтроном от точки рождения до точки регистрации (м); t - время прохождения пути L (нс), с - скорость света (м/с); 3 - относительная скорость нейтрона. Переменная 6L уравнения (1) является погрешностью измерения точки регистрации нейтрона, которая определяется толщиной детектора. Переменная 6t характеризует погрешность определения времени регистрации нейтрона. Она определяется характеристиками используемых сцинтилляторов и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Для точных измерений энергии нейтронов требуется определение скорости с погрешностью не хуже, чем 63 = 0.8 • 10^-2, которая достигается при одновременном измерении TOF лучше, чем 6t = 400 пс, а также контроле длины траектории лучше, чем 6L = 8 см [2] на. пролетной базе L = 7.235 м.

2.    Конструкция прототипа многослойного нейтронного детектора

Для проверки параметров работы многослойного нейтронного детектора был разработан прототип (рис. 1, 2). Прототип состоит из пяти пластин размером 70 х 20 х 2 см3 пластического органического сцинтиллятора (рис. 1) производства ОИЯИ - полистирол с добавлением 1.5% р-терфенила и 0.05% РОРОР [3]. Сцинтилляционные пластины были отполированы со всех сторон. Длина затухания света отобранных сцинтилляторов для детектора составляет 60^70 см.

Чтобы улучшить сбор света со сцинтилляторов, каждая пластина была обернута в отражатель DuPont Tyvek. При этом перекрестные помехи между пластинами не были обнаружены в ходе исследований.

Снятие сигналов со сцинтилляторов осуществляется двумя независимыми наборами ФЭУ [4, 5]:

• 1)    считывание сигналов одновременно со всех пластин с помощью двух ФЭУ Philips ХР2041, расположенных на противоположных торцах пластин. Диаметр фотокатода ФЭУ ХР2041 составляет 11 см и позволяет эффективно снимать суммарный сигнал сразу со всех (5) пластин одновременно. Сигналы с торцов сцинтилляторов поступают на ФЭУ через воздушные световоды длиной 15 см.

• 2)    считывание оптических сигналов с каждой из 5 сцинтилляционных пластин с помощью двух ФЭУ-87, расположенных на противоположных торцах пластин рядом с ФЭУ ХР2041. Применение ФЭУ-87 определяется высоким временным разрешением этих ФЭУ. Фотокатоды ФЭУ-87 без смазки были сопряжены непосредственно с торцами сцинтилляционных пластин.

Для прототипа нейтронного детектора был подготовлен корпус размером 200 х 30 х 30 см3 (рис. 2). В корпусе размещался металлический каркас с жестко установленными пластинами сцинтилляторов и ФЭУ. Корпус изнутри был обклеен черной бумагой, а места прижима крышки корпуса уплотнены тканью. Выходные сигналы с ФЭУ и высоковольтные кабели выводись из корпуса через разъемы, установленные в боковой стенке корпуса.

ВиЗ сберху

Делитель напряжения ФЭЧ-87

Металлический каркас

Сцинтилляторы

5 пластин

Рис. 1. Схема прототипа нейтронного детектора, состоящего из 5 пластин

Рис. 2. Общий вид 5-слойного нейтронного детектора в корпусе и вид оптической системы

Детектор содержит пять слоев, что является компромиссом между эффективностью детектирования нейтронов (которая зависит от толщины детектора) и неопределенностью точки взаимодействия нейтронов в детекторе. Это позволяет повысить пространственное разрешение детектора (продольную координату) путем определения точки взаимодействия нейтрона с МИД вплоть до толщины используемой сцинтилляционной пластины. Сцинтиллятор, в котором взаимодействует нейтрон, определяет продольную координату и дополнительно дает временную информацию и поперечную координату. Поперечная координата вычисляется по разнице во времени сигналов между двумя ФЭУ-87 (расположенными на одной пластине по торцам). Предлагаемая конструкция детектора нейтронов с двумя независимыми системами считывания улучшает ТОҒ нейтрона и, как результат, улучшает 5(3.

Близкий подход был применен в детекторе нейтронов большой площади (LAND) [6]. Предлагаемая конструкция МНД в данной статье сохраняет преимущества многослойной структуры LAND, но значительно увеличивает объем детектора. В разработанном прототипе использовались сцинтилляционные пластины толщиной 2 см вместо сэндвича из пятимиллиметровых сцинтилляционных и железных пластин как в детекторе LAND.

Предыдущий вариант четырехслойного нейтронного детектора рассматривался в работе [7, 8]. В работе [8] также дана оценка эффективности детектирования нейтронов и счетная характеристика 4-слойного детектора нейтронов близкой конфигурации.

3.    Отбор ФЭУ-87 по временным характеристикам

Рис. 3. Блок-схема стенда для отбора ФЭУ-87 по временным характеристикам

Для детектора нейтронов были отобраны только ФЭУ-87, обладающие временным разрешением в интервале 604-100 нс. Отбор проводился на специальном экспериментальном стенде (рис. 3). На стенде ФЭУ-87 располагался в светонепроницаемом металлическом корпусе, а на фотокатод ФЭУ подавался коллимированный оптический сигнал от пикосекундного лазера Advanced Laser Diode Systems. Лазер излучает свет на длине волны 455 нм. Сигналы с ФЭУ снимались 14-битным АЦП прямого преобразования сигнала DRS4 Evaluation board V3 и подавались на ПК в систему сбора данных на основе Lab VIEW.

Таким образом было отобрано более 50 ФЭУ-87, удовлетворяющих условию <100 пс, а также обладающих высокой амплитудой выходного сигнала.

Примеры характеристик ФЭУ-87, измеренных на данном стенде, имеют следующий вид. На рис. 4 представлен пример зависимости временного разрешения пары ФЭУ-87, установленных на одну пластину в зависимости от напряжения питания ФЭУ. На рис. 5 представлены амплитуды регистрируемых сигналов той же пары ФЭУ-87, установленных на одну пластину.

Рис. 4. Зависимость временного разрешения от напряжения для ФЭУ-87, установленных на пластину № 1

Voltage, kV

Рис. 5. Зависимость амплитуды сигнала от напряжения для ФЭУ-87, установленных на пластину № 1

4.    Исследование многослойного нейтронного детектора на космическом излучении

Предварительное исследование характеристик прототипа нейтронного детектора было выполнено на космическом излучении. Для выделения исследуемой области детектора использовались два триггерных сцинтилляционных счетчика размером 10 х 10 х 1 см3. Условием запуска считывающей электроники было совпадение сигналов от триггерных счетчиков и сигнала с одного из двух ФЭУ ХР2041. Для измерения времени сигналы со всех ФЭУ прототипа (12 каналов) и сигналы с триггерных счетчиков (2 канала) поступали на вход TQDC [9] системы сбора данных (DAQ) на основе электроники в стандарте VME. Таким образом, были измерены значения временного разрешения для каждого канала в зависимости от расположения триггерных счетчиков -30, -15, 0, 15 и 30 см относительно середины детектора. Средние значения временного разрешения для каждого канала приведены в табл. 1.

Пространственное разрешение 7_Х МНД определялось как

7Ж

V • atj

а временное разрешение 7^ каждой пластины определялось как

Д2+

⁷-j = -------

,

где 7i и 7д - временное разрешение пары ФЭУ, которые просматривали одну пластину; V - скорость света в каждой сцинтилляционной пластине. Полученные значения для скорости распространения света внутри сцинтилляционных пластин, пространственного и временного разрешений согласно (2) и (3) соответственно представлены в табл. 2.

Сцинтиллятор № 1 в табл. 2 показал худшие характеристики из-за низкой чувствительности ФЭУ-87 № 1 (табл. 1). Кроме того, информация о сцинтилляторе № 3 исключена из статьи из-за технических проблем с ФЭУ-87 № 6 (табл. 1). Так как в прототипе нейтронного детектора производятся независимо до 12 временных измерений, то временное разрешение детектора будет определяться числом сработавших пластин. Конечное временное разрешение 7_п детектора определяется как 7_П = 7^ / V п + 1, г де 7^ - общее временное разрешение

0.66 ± 0.07 нс, а п = 1±5 - количество срабатывавших пластин. Наихудшее значение временного разрешения будет при условии, когда срабатывает толвко одна пластина из пяти возможных. Согласно проведенным измерениям, оі = 470±50 пс (сработала одна пластина), о₂ = 380±40 пс (если сработали две пластины МНД), оз = 330±35 не, о 4 = 495±30 не и 05 = 270±30 пс, если сработали все (5) пластины в детекторе.

Исходя из резулвтатов (табл. 1 и 2), получено, что все пластины сцинтилляторов имеют неплохие характеристики (за исключением сцинтиллятора № 1). На рис. 6 показана зависимость амплитуд регистрируемых сигналов ФЭУ ХР2041 в зависимости от положения триггерых счетчиков. Интегральная длина затухания света со всех пластин (5) в этом случае составляет 77.3 см для ФЭУ ХР2041 № И и 67.2 см для ФЭУ ХР2041 № 12. Оба. ФЭУ ХР2041 имеют хорошую чувствительность, однако имеется заметная разность в значениях регистрируемых амплитуд, что может быть объяснено влияем магнитного поля на. один из ФЭУ ХР2041.

Таблица!

Временные разрешения каналов МНД, полученные на космическом излучении и пучке нейтронов с энергией 3.5 ГэВ

Номер капала. (ФЭУ)	Временное разрешение о + До, нс		Номер пластины
	Космическое излучение	Пучок нейтронов
1(РМТ-87)	1.6 ±0.33	1.36 ±0.33	1
2(РМТ-87)	1.34 ±0.02	1.13 ±0.03
3(РМТ-87)	1.14 ±0.04	1.1 ±0.02	2
4(РМТ-87)	1.27 ±0.07	1.31 ±0.03
5(РМТ-87)	1.14 ±0.08	1.31 ±0.04	3
6(РМТ-87)	_	1.81 ±0.07
7(РМТ-87)	1.06 ±0.04	1.35 ±0.02	4
8(РМТ-87)	1.24 ± 0.05	1.22 ±0.07
9(РМТ-87)	1.3 ±0.07	1.13 ±0.07	5
10(РМТ-87)	1.26 ±0.09	1.27 ±0.08
11(ХР2041)	1.06 ±0.06	0.48 ±0.06	Все слои одновременно
12(ХР2041)	0.79 ±0.03	0.4 ±0.03	(включая воздушный световод)

Т а б л и ц а 2

Характеристки мгослойного нейтронного детектора, полученные на космическом излучении

Номер сцинтиллятора	V ± Д У, см/нс	Расчётная V, см/нс	о , ± Д о, НС	ож, см
1	20.3 ± 7.6		1.04 ± 0.46	10.6 ± 4.0
2	12.8 ± 2.7		0.85 ± 0.08	5.5 ± 1.2
4	13.1 ± 2.7	18.9	0.82 ± 0.06	5.3 ± 1.1
5	18.1 ± 5.4		0.91 ± 0.11	8.2 ± 2.4
Все слои одновременно	19.3 ± 3.2		0.66 ± 0.07	6.4 ± 1.1
(включая воздушный световод)

5.    Исследование многослойнного нейтронного детектора на нейтронном пучке

Прототип нейтронного детектора, был испытан в 54-м сеансе работы ускорителя НУКЛОТРОН в ОИЯИ. Пучок нейтронов формировался путем реакции стриппинга выведенного пучка, дейтронов с энергией 3.5 ГэВ/нуклон на. фиксированной тонкой мишени 7Li (толщина 1 г/см2). Регистрация протонов от развала дейтронов позволила реализовать метод мечения нейтронов [8].

Рис. 6. Зависимость амплитуд сигналов с ФЭУ ХР2041 от области взаимодействия космического мюона, с прототипом МИД (номера. ФЭУ соответствуют нумерации в табл. 1)

Тестируемый детектор располагался в экспериментальном корпусе № 205 на. физической установке «МАРУСЯ» [10] в фокусе Ғ4 канала транспортировки выведенного пучка НУКЛОТРОНа (рис. 7). Перед отклоняющим пучок дейтронов магнитом 4-SP-12 установилась мишень (81). Дистанция между точкой образован нейтрона и детектором нейтронов составляла 7.235 метров. После развала дейтрона нейтрон летит прямо в сторону исследуемого детектора, а протон отклоняется магнитом 4-SP-12 и регистрируется детектором заряженных частиц А2. Дейтроны пучка, которые не провзаимодействовали с мишенью, транспортируются дальше по каналу VP-1 к другим потребителям.

Сцинтилляционный детектор А1 являлся детектором заряженных частиц и использовался в схеме антисовпадений (вето-детектор). Признаком распада, дейтрона, было совпадение сигналов между МНД и детектора. А2. Измерялось время пролета, между А2 и МНД. Нейтрон регистрировался только при совпадении стартового сигнала, от быстрого счетчика. Sic детектором А2 и сигналом в одной из пластин МНД, а также при отсутствии сигналов в вето-детекторе.

Рис. 7. Блок-схема измерений па установке «МАРУСЯ» (вид сверху): S1 - мишень, 4-SP-12 - магнит, А1 - сцинтилляционный детектор антисовпадений, А2 - протонный детектор, 5ND -многослойный нейтронный детектор (МНД), VP-1 - капал транспортировки дейтроппого пучка

В табл. 3 представлены результаты временных измерений каналов нейтронного детектора, полученные при облучении мишене 7Li дейтронным пучком с энергией 3.5 ГэВ/нуклон. Временные разрешения практически для всех ФЭУ-87 дают значения, близкие к значениям, полученным при исследовании детектора на космическом излучении. Обнаружено, что для ФЭУ ХР2041 (№ 11 и 12 табл. 1) временное разрешение, полученное при облучении 7Li дейтронным пучком, в 2 раза выше, чем временное разрешение ФЭУ ХР, измеренное на космических мюонах. В табл. 3 представлена общая характеристика прототипа нейтронного детектора, полученная на пучке нейтронов с энергией 3.5 ГэВ. Во время испытаний поток нейтронов через детектор составлял около 1000 событий в секунду.

Т а б л и ц а 3

Характеристика МНД, полученная на пучке нейтронов 3.5 ГэВ

Номер сцинтиллятора	V ± AV, см/нс	c^j ± Ас, нс	Требуемая точность СЦцНС	с^, см
1	20.3 ± 7.6	0.88 ± 0.33		9.0 ± 3.4
2	12.8 ± 2.7	0.86 ± 0.04		5.5 ± 1.2
3	16.1 ± 1.9	1.12 ± 0.08	< 0.4	9.0 ± 1.1
4	13.1 ± 2.7	0.91 ± 0.07		6.0 ± 1.2
5	18.1 ± 5.4	0.85 ± 0.08		7.7 ± 2.3
Все слои одновременно (включая воздушный световод)	19.3 ± 3.2	0.31 ± 0.07		3.0 ± 0.5

Согласно проведенным измерениям на пучке нейтронов 3.5 ГэВ и условию с_п = <ГгзЫ^п + 1; О = 220 ± 50 пс, с₂ = 180 ± 40 ^пс; сз = 155 ± 35 пс, 04 = 140 ± 30 пс и 05 = 130 ± 30 пс. Пространственное разрешение детектора, измеренное на пучке нейтронов 3.5 ГэВ, составило 3.0 ± 0.5 см, что полностью удовлетворяет условию 5L = 8 см [2].

6.    Рабочие модули для спектрометра «СКАН-3»

На основе полученных результатов в данной и более ранних работах [8], была оптимизирована конструкция детекторов нейтронов на спектрометре «СКАН-3». Два набора детекторов будут установлены в спектрометр (по б модулей на плечо). Модули будут состоять из четырех сцинтилляционных пластин увеличенной толщины. Толщина слоя увеличена с 2 до 3 см. Во-первых, таким образом увеличивается световыход с каждой пластины, а, во-вторых, диаметр ФЭУ-87 составляет 3 см (рабочий диаметр фотокатода 2 см), как и толщина пластины, что повышает геометрическую эффективность съема света с торцов сцинтилляторов. При этом предполагается, что пространственное разрешение существенно не уменьшится.

Наряду с ФЭУ ХР2041 для интегрального съема света в МНД часть детекторов будет использовать ФЭУ Hamamatsu R1250, имеющие аналогичные ХР2041 характеристики. ФЭУ R1250 представляют собой готовые к эксплуатации наборы с делителями напряжения в комплекте. Один из 12 нейтронных детекторов с ФЭУ R1250 в собранном виде изображен на рисунке 8. Конструктивно такой детектор представляет собой полностью монолитный модуль с установленными сигнальными и высоковольтными разъемами на торцах модуля.

Для всех ФЭУ предусмотрена магнитная защита из отожжённого пермаллоя (рис. 9). Толщина пермаллоя составляет 0.4 мм. Для ФЭУ ХР2041 и R1250 корпус воздушного световода образован из пермаллоя и предназначен для уменьшения влияния магнитного поля на ФЭУ. Световод покрыт на внутренней стороне отражателем Tyvek для улучшения сбора света.

Для ФЭУ ХР2041 было исследовано влияние магнитного поля на регистрируемый сигнал от радиоактивного источника 241Ат в сцинтилляторе, расположенного в непосредственной близости к фотокатоду ФЭУ. Пример влияния магнитного поля выглядит еле- дующим образом (рис. 10, 11). Амплитудное распределение сигнала с ФЭУ ХР2041 в от-сутсвие магнитного поля представлено на рис. 10, в то время как амплитудный сигнал в магнитном поле заметно деградирует (рис. 11).

Рис. 8. Модуль 4-слойного нейтронного детектора (без светоизоляции)

Рис. 9. Магнитная защита ФЭУ ХР2041 / R1250, выполненная из пермаллоя

Рис. 10. Выходной сигнал ФЭУ Philips ХР2041 без влияния магнитного поля

Рис. 11. Выходной сигнал ФЭУ Philips ХР2041 в магнитном поле величиной 10 мТл

В результате влияния магнитного поля на ФЭУ ХР2041 также наблюдается эффект намагничивания динодной системы ФЭУ. Время восстановления ФЭУ занимает несколько часов после снятия магнитного поля.

7.    Заключение

Разработан многослойный нейтронный детектор, состоящий из пяти сцинтилляционных пластин. Детектор испытан на космическом излучении и нейтронном пучке со средней энергией 3.5 ГэВ. Наилучшее временное разрешение 270±30 нс для мюонов и 130±30 нс для нейтронов с энергией 3.5 ГэВ было получено при условии одновременного срабатывания всех пластин детектора. Пространственное разрешение детектора составило 3.0±0.5 см. Это разрешение достигается путем разделения объема детектора на отдельные одинаковые слои. При этом точность определения скорости 6(3 составила 0.5 • 10^-2, что удовлетворяет поставленной задаче. На основе полученных результатов разработаны оптимизированные детекторы, состоящие из четырех пластин сцинтиллятора увеличенной толщины.