ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 4, с. 60-65
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.12.074.3
ДЕТЕКТОРЫ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ
© 2009 г. С. М. Игнатов, В. Н. Потапов, С. М. Неретин, В. И. Петров*, А. Д. Орлов**,
С. 3. Шмурак**, Н. В. Классен**
РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Курчатова, 1 *ОАО Специализированный НИИ приборостроения (СНИИП) Россия, 123060, Москва, ул. Расплетина, 5 **Институт физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) Россия, 142432, Черноголовка Московской обл., ул. Институтская, 2 Поступила в редакцию 28.01.2009 г.
Представлены результаты разработки нейтронных детекторов, созданных с применением нового типа фотоприемников - кремниевых твердотельных фотоумножителей. В качестве сцинтиллято-ров детекторов использовались монокристалл ЬЩЕц) и сцинтилляционный экран 6ЫР^п8(А§). Описываемые детекторы компактны, и это расширяет возможности их использования. Приведены некоторые параметры детекторов, дана оценка их чувствительности к тепловым нейтронам и у-из-лучению, указаны возможные способы их применения.
РАСБ: 29.40.Mc
В последнее время появился новый класс фотоприемников - твердотельные кремниевые фотоэлектронные умножители (ф.э.у.) [1-6], которые успешно применяются при разработке сцин-тилляционных детекторов у-излучения [7-10].
Твердотельный Бьф.э.у. является многопиксельным прибором (см., например, [1, 2]), все пикселы которого соединены между собой с помощью А1-шин, и к ним приложено одинаковое напряжение обратного смещения, превышающее пробойное. Это обеспечивает работу прибора в гейгеровском режиме. Несмотря на то что каждый пиксел работает как независимый гейгеровский счетчик, весь прибор является аналоговым, так как величина заряда на выходе ф.э.у. есть сумма зарядов его сработавших пикселов.
Такой фотоприемник имеет ряд преимуществ. Твердотельные ф.э.у. достаточно компактны: в настоящее время отечественными и зарубежными производителями [3-6] выпускаются фотоприемники с чувствительной областью от 1 до 9 мм2 (1 х 1, 2 х 2 и 3 х 3 мм2). Коэффициент внутреннего усиления твердотельного ф.э.у. достигает ~106 и слабо зависит от напряжения обратного смещения, температуры и магнитного поля. Как правило, величина обратного смещения твердотельных ф.э.у. не превышает 20-70 В. Эти преимущества позволяют использовать их в качестве фотоприемников в сцинтилляционных детекторах, работающих в спектрометрическом режиме.
Ниже описаны сцинтилляционные детекторы, созданные для регистрации нейтронного излучения. Сцинтилляционные кристаллы для детекторов нейтронного излучения, как правило, изготавливают из материалов, содержащих изотопы 10В или 6Ы, так как они могут участвовать в экзотермических реакциях типа (п, а) с выделением энергии, которая в сцинтилляторах преобразуется в световую. Мы использовали кристалл ЬЩЕи) размером 013 х 13 мм и сцинтилляционный экран, созданный из мелкокристаллического порошка на основе 6ЫР/2п8(А§). Оба сцинтилляционных материала имеют световые спектральные характеристики с максимумом на длине волны в области 440-460 нм.
При создании нейтронных детекторов использованы твердотельные ф.э.у. отечественного производства (ООО "Центр перспективных технологий и аппаратуры", Москва) [3, 4] с чувствительной площадью 2 х 2 мм2, состоящей из 1700 пикселов. С таким размером чувствительной поверхности существуют фотоприемники двух типов: Б8РМ_0606Бв4шш и 88РМ_0611Б4шш, у которых различная спектральная квантовая чувствительность. На рис. 1 представлена спектральная зависимость квантовой эффективности этих ф.э.у.
Оба сцинтилляционных материала испускают световые кванты в области 450 нм. Из рис. 1 следует, что для этих сцинтилляционных материалов лучше использовать фотоприемник 88РМ_0611Б4шш, так как для длины волны 450 нм его квантовая эф-
фективность почти в 2 раза выше, чем у 88РМ_0606Б04шш. Однако для сцинтилляторов с длиной волны световых фотонов ~450 нм можно использовать фотоприемник 88РМ_0710в9шш с чувствительной областью 9 мм2, даже несмотря на то, что у него максимум квантовой эффективности приходится на 580 нм. Это объясняется тем, что чувствительные площади фотоприемников отличаются в 2.25 раза, а квантовые эффективности -только в 1.4 раза, поэтому выигрыш за счет свето-сбора с использованием 88РМ_0710в9шш может скомпенсировать более высокую квантовую эффективность 88РМ_0606Б04шш.
Как было отмечено выше, на атомах бЫ тепловые нейтроны участвуют в экзотермической реакции (п, а):
бЫ + п — 3Н + а + 4.8 МэВ (1)
с выделением энергии 4.8 МэВ, которая распределяется между тритоном и а-частицей в соотношении 2.73 и 2.05 МэВ.
Содержание изотопов бЫ в естественной (природной) смеси составляет 7.56%, а в сцинтиллято-рах содержание изотопа 6Ы может достигать 90%. Для тепловых нейтронов сечение реакции на изотопах 6Ы равно 938 барн и с ростом энергии нейтронов убывает пропорционально £~1/2.
НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР НА ОСНОВЕ СЦИНТИЛЛЯТОРА ЬЩЕи)
Кристалл сцинтиллятора Ы1(Еи) имеет плотность 4.06 г/см3, его конверсионная эффективность равна 0.7, т.е. световой выход составляет ~32000 фотонов/МэВ. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, а-частицы, тяжелые ионы) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество световых фотонов, чем электроны (в-частицы). Для ЬП(Ёи)-сцинтиллятора а-^-отношение равно ~0.8 (по данным [11] оно равно 0.86, а по данным [12] - 0.73). Это означает, что тритон и а-частица, имеющие в результате основной реакции 6Ы(п, а)3Н энергию 4.8 МэВ, будут обеспечивать световыход ~25000 фотонов/МэВ. Пробеги этих частиц в сцинтилляторе составляют 9 мкм (а) и 45.8 мкм (3Н).
Гигроскопичный ЬИ(Еи) помещался в цилиндрический А1-корпус с отражателем и стеклянным выходным окном. ЬИ(Еи)-сцинтиллятор размерами 013 х 13 мм изготовлен и упакован в ИФТТ РАН (Черноголовка). На выходном окне упакованного кристалла с помощью оптического клея прикреплялся фотоприемник, а остальная часть выходного окна засыпалась отражателем из фторопластового порошка.
Напряжение смещения, подаваемое на 81-ф.э.у., составляло ~21 В. Сигнал с фотоприемника поступал на предусилитель, а затем - на портатив-
Рис. 1. Спектральные зависимости квантовой эффективности твердотельных 81-ф.э.у. двух типов [3].
ный анализатор "Колибри" [13] для формирования аппаратурного спектра. Источник внешнего питания +5 В обеспечивал работу предусилителя и напряжение смещения для 81-ф.э.у.
Детектирующие свойства такого детектора исследовались на РиБе-источнике ИБН-25 с выходом 0.94 • 107 н/с и средней энергией нейтронов ~4.5 МэВ. РиБе-источник испускает также у-кван-ты, в том числе и высокоэнергетические (~4.4 и 7.4 МэВ), с общим выходом ~0.5 у/нейтрон. В качестве замедлителя нейтронов использовался слой полистирола толщиной 20 см.
Регистрация тепловых нейтронов сопровождается выделением в сцинтилляторе энергии 4.8 МэВ, что приводит к образованию пика в амплитудном спектре детектора. На рис. 2 приведены аппаратурные спектры излучения РиБе-ис-точника, полученные с Сё-фильтром и без него. Сё-фильтр толщиной 1 мм практически полностью поглощает тепловые нейтроны, поэтому спектр с фильтром (кривая 2) формируется, в основном, за счет регистрации у-излучения источника и частично более высокоэнергетических нейтронов, прошедших через Сё-фильтр (надкад-миевые нейтроны).
Следует отметить, что нейтроны с энергией >1 МэВ могут испытывать неупругие реакции на Ы и I, которые приводят к образованию заряженных частиц, регистрируемых сцинтиллятором. Суммарное сечение этих реакций для нейтронов таких энергий больше сечения основной реакции (1), поэтому в спектре, полученном при измерении с Сё-пластиной, помимо зарегистрированного у-излучения РиБе-источника, будет присутствовать вклад быстрых нейтронов. Это подтверждают и эксперименты, проведенные одновременно с Сё- и РЬ-фильтром толщиной 15 см, когда у-состав-
Номер канала
Рис. 2. Амплитудный спектр сигнала детектора, полученный при регистрации нейтронов и у-квантов РиБе-источника: 1 - при наличии слоя (20 см) замедлителя нейтронов из полистирола; 2 - с Сё-фильтром толщиной 1 мм. На вставке показан разностный спектр, обусловленный регистрацией тепловых нейтронов.
ляющая излучения источника практически полностью поглощается, а быстрые нейтроны преодолевают такую защиту и регистрируются детектором.
Одним из недостатков этого детектора является его высокая чувствительность к у-излучению. Кадмиевое отношение в этом эксперименте равно 4.5, однако следует отметить, что на величину этого отношения влияет ряд факторов, в частности, высокоэнергетическое у-излучение источника нейтронов в области ~4 МэВ, что подтверждают прямые эксперименты по измерению его спектра сцинтилляционным Ка1(Т1)-детектором, чувствительным только к у-квантам.
На рис. 3 показан аппаратурный спектр у-из-лучения, где можно наблюдать зарегистрированные кванты в области энергий ~4 МэВ от излучения ядер 12С в нейтронном РиБе-источнике. Ядра 12С могут оставаться в возбужденном состоянии в результате реакции 9Бе(а, п)12С с последующим испусканием у-квантов (первым двум возбужденным состояниям 12С соответствуют уровни 4.4 и 7.65 МэВ).
При регистрации детектором у-квантов с энергией 4.4 МэВ, помимо пика полного поглощения, наблюдаются еще два дополнительных, обусловленных вылетом соответственно одного или двух аннигиляционных квантов с энергией 511 кэВ, поскольку основным процессом взаимодействия
высокоэнергетических квантов в сцинтилляторе детектора является образование электронно-пози-тронных пар. Вторым фактором, влияющим на величину кадмиевого отношения, являются тепловые нейтроны, рассеивающиеся на стенах помещения, в воздухе и затем попадающие в детектор, так как Сё-фильтр представляет собой пластину, закрывающую детектор только со стороны источника.
Однако такие детекторы имеют и ряд преимуществ, в частности, компактность фотоприемника и детектора в целом позволяет использовать их в дозиметрах нейтронного излучения.
Такие компактные детекторы можно использовать для измерения плотности потока Ф тепловых нейтронов. Для изотропного
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.