ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 11-14
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИИ РЕГИСТРАТОР НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. А. Г. Кравченко, В. П. Лазарчук, Д. Н. Литвин, В. М. Муругов, С. И. Петров, А. В. Сеник, И. Г. Прянишников*
РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: litvin@otd13.vniief.ru *ФГУПНИИ импульсной техники, Россия, 115304, Москва, ул. Луганская, 9
E-mail: lnz@niiit.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Принцип действия высокоскоростного регистратора нейтронного излучения основан на конверсии нейтронного излучения в протонное в полиэтиленовом конверторе. Полученные протоны регистрируются рентгеновским э.о.п. с CzI-фотокатодом. Эффективность регистратора составляет 1.5 ■ 10-3, временное разрешение ~30 пс, пространственное разрешение > 100 мкм. Прибор предназначен для измерения временных параметров нейтронного излучения на установках "Искра".
ВВЕДЕНИЕ
Изучение параметров нейтронного излучения занимает центральное место в диагностике получаемого в лазерных экспериментах сжатого термоядерного топлива. Рождающиеся в реакциях синтеза термоядерные нейтроны имеют пробеги, превышающие произведение плотности топлива на его размер, поэтому нейтроны несут неискаженную информацию о параметрах плазмы в момент достижения максимального сжатия и температуры, а их количество соответствует числу термоядерных реакций. Форма спектра нейтронов определяется скоростями теплового движения компонентов термоядерного топлива, что дает возможность диагностировать ионную температуру БТ-газа.
Требования по временному и пространственному разрешениям каналов регистрации нейтронного излучения определяются временем жизни (<100 пс) и размерами (десятки микрометров) сжатого ядра плазмы. Понятно, что регистрация таких процессов лежит на пределе, а в ряде случаев превышает возможности современной техники физического эксперимента. Поэтому реализация новых методов диагностики высокотемпературной плазмы сопряжена с разработкой новых сверхбыстродействующих методов регистрации нейтронов с высоким пространственным и временным разрешением.
Из спектра традиционных детекторов нейтронного излучения сравнимым временным разрешением обладают следующие: вакуумный диод с урановым фотокатодом [1], быстрый сцинтил-
лятор с регистрацией свечения сцинтиллятора фотоэлементом [2].
Быстродействие методик, построенных на этих детекторах, ограничено полосой пропускания современных осциллографов и не превышает 0.1 нс. Кроме того, они имеют низкую чувствительность. Например, в условиях установок "Искра-4", "Искра-5" порог регистрации этих методик составляет ~1013 частиц/импульс, что более чем на два порядка превышает максимальный достигнутый в экспериментах.
Поэтому в последнее десятилетие в разных лабораториях ведутся разработки принципиально новых регистраторов нейтронного излучения с временным разрешением в десятки пикосекунд. Анализ современного состояния техники физического эксперимента показывает, что достижение столь высокого временного разрешения возможно при использовании электронно-оптических преобразователей (э.о.п.).
Один из способов решения этой задачи основан на эффекте потери светопропускания оптоволокна с добавками и308 под действием нейтронного потока [3]. Волокно навивается по спирали вокруг мишени. Во время прохождения нейтронного потока по волокну пропускается лазерный импульс, который регистрируется оптическим фотохронографом. Шаг спирали подобран таким образом, чтобы время прохождения света по витку соответствовало времени пролета нейтронов между последовательными витками. Расчетное временное разрешение данной методики составляет ~15 пс.
Интенсивность, отн. ед. 100
10-
10-
100 пс
Рис. 1. Зависимость задержки прихода на фотокатод протонов отдачи относительно нейтронного импульса.
В последние десять лет появились публикации, посвященные разработке нейтронного э.о.п. [4]. Принцип действия прибора заключается в следующем. Используется урановый или и02-катод. Быстрые нейтроны, проходя через материал катода, делят ядра урана. Осколки деления выбивают с поверхности катода вторичные электроны с низкой энергией. Далее, с помощью электронной оптики э.о.п. на экране формируется временная развертка изображения щелевого катода.
Проведенные исследования [4] показали, что предельное временное разрешение подобного регистратора не хуже 20 пс, выход вторичных электронов составляет 100-400 частиц на один зарегистрированный нейтрон. Эффективность регистрации, т.е. регистрируемая часть нейтронов от попавших в приемную апертуру, определяется длиной пробега осколка деления в материале фотокатода и сечением деления урана нейтронами Еп = 14 МэВ и составляет £ = 3 • 10-5.
Основным общим недостатком представленных сверхскоростных регистраторов нейтронного излучения является их низкая эффективность, обусловленная малым объемом чувствительной среды (оптоволокна или уранового катода). Для реализации измерений требуется нейтронный выход N > > 1012-1013 частиц/импульс даже при постановке детектора на расстоянии < 30 см от мишени.
Описываемый электронно-оптический регистратор является естественным развитием разработанного ионного фотохронографа [5] нейтронного излучения. Параллельно и независимо аналогичный нейтронный фотохронограф предложен в Рочестерской лаборатории [6]. В этих приборах регистрация нейтронного излучения осуществляется за счет преобразования в протонное, которое происходит при рассеянии в установленном
непосредственно перед катодом полиэтиленовом конверторе.
ВРЕМЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ПРИБОРА
Простые оценки временного разрешения прибора можно сделать на основании следующих соображений. При рассеянии нейтронов En = 14 МэВ на ядрах водорода возникает протонное излучение со сплошным спектром, который простирается до начальной энергии нейтронов. Поэтому для оценок примем, что энергия протонов соответствует центру спектрального распределения, т.е. Ep = 7 МэВ. Эффективная толщина полиэтиленового конвертора определяется длиной пробега протонов и составляет 700 мкм. Потеря временного разрешения, обусловленная применением конвертора, будет не более разницы времен пролета эффективного слоя конвертора нейтроном и рассеянным протоном, т.е. ~25 пс.
Для точного определения временного разрешения регистратора нами решена модельная задача, в которой на систему конвертор-фотокатод падал бесконечно короткий нейтронный импульс. Рассчитывалась задержка момента прихода на фотокатод протонов отдачи, родившихся в разных слоях конвертора, относительно прихода на конвертор нейтронного импульса. В расчете учитывались следующие факторы:
1. Энергия протонов отдачи принималась, в соответствии с кинематикой рассеяния, равной Ep = = En cos26, где б - угол вылета протона относительно направления полета первичного нейтрона, En = 14 МэВ - энергия нейтронов.
2. Для протонов, родившихся в слое конвертора на расстоянии х от катода и достигающих его, в силу равномерности их спектра принималась равной (En - Emg)/En, где E^ - минимальная энергия протонов, пробег которых превышает величину х/cos б.
3. Интегрирование уравнения движения протонов в конверторе производилось с учетом их ионизационного торможения в полиэтилене в соответствии с формулой Бете.
Результаты расчетов для конверторов толщиной 1 и 0.1 мм представлены на рис. 1. Толстый конвертор позволяет получить временное разрешение по критерию длительности на половине интенсивности ~28 пс. При снижении толщины конвертора до 0.1 мм временное разрешение улучшается до ~10 пс. Интегрирование кривых рис. 1 показывает, что уменьшение толщины конвертора в 10 раз привело к снижению чувствительности в 4 раза. Это легко может быть объяснено с учетом того, что из периферийных областей конвертора до фотокатода доходит малая часть протонов.
ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР
13
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАТОРА
Полное количество протонов, достигающих катода, примерно равно количеству нейтронов, рассеивающихся в слое толщиной, равной пробегу протонов Ер = 7 МэВ, или 3 • 103 от упавших нейтронов (в расчете принято сечение рассеяния а = 0.5 барн). При использовании ионного электронно-оптического преобразователя с С71-фото-катодом зарегистрируется ~0.7 протонов, попавших в приемную апертуру [5]. Таким образом, расчетная эффективность регистратора составляет ерасч ~ 2 • 10-3, что на два порядка выше, чем у прибора с и-фотокатодом. В работе [6] приведенная оценка эффективности регистрации протонов с помощью С71-фотокатода составляет ~0.23, что существенно ниже. Это, возможно, связано с отсутствием прямых измерений. Однако итоговая оценка эффективности регистрации нейтронов почти в 2 раза превышает величину, полученную нами.
Экспериментальное определение эффективности регистратора проведено нами с помощью источника нейтронов ТГИ-111, позволяющего получать до 108 нейтронов в импульсе длительностью 300 нс. Регистрация полученного в результате конверсии протонного излучения осуществлялась с помощью отпаянного электронно-оптического преобразователя СРПЭ-2 разработки НИИИТ [7]. В приборе использовался С71-фото-катод, сформированный на слюдяной подложке толщиной 5 мкм. Площадь фотокатода составляла 0.1 см2, расстояние между источником нейтронов и входом равно 5 см. Длительность развертки э.о.п. составляла ~30 нс на экран.
Проведена регистрация серии нейтронных импульсов, типичный результат регистрации представлен на рис. 2. Нейтроны регистрируются в виде ярких точек. Усреднение по серии импульсов дает эффективность регистратора £ = (1.5 ± 0.4) ■ 10-3. Полученная величина несколько ниже расчетной, что объясняется наличием слюдяной подложки на входе регистратора, приводящей к снижению эффективности.
В представленном варианте пространственное разрешение регистратора определяется эффективной толщиной конвертора и составляет ~0.7 мм. Пространственное разрешение может быть легко улучшено до 0.1 мм за счет использования конвертора соответствующей толщины. При этом эффективность регистрации уменьшится до £ = 4 х х 10-4, однако временное разрешение улучшится до 10
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.