ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 2, с. 247-250
УДК 539.1.074.823
ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРОВОЛОЧНО-СТРИПОВЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ И ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ
С БОРНЫМ КОНВЕРТЕРОМ © 2011 г. В. С. Литвин, С. И. Поташев, В. И. Разин, Р. А. Садыков
Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва
E-mail: vlitvin@inr.ru
Разработан позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов. Конвертером нейтронов служит 5-мкм слой 10В. Вторичные а-частицы регистрируются в 1-мм зазоре рабочей газовой смеси 73% Ar + 25% CO2 + 2% SF6 при атмосферном давлении. Газовое усиление обеспечивается применением массива 20-мкм проволочек из позолоченного вольфрама.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в институте ядерных исследований РАН на импульсном источнике нейтронов ИН-06 ведется монтаж установки "ГОРИЗОНТ", которая может работать и как нейтронный рефлектометр, и как спектрометр малоуглового рассеяния нейтронов. Установка предназначена для измерений по времяпролетной методике. Она позволит исследовать структуры различных образцов в широком диапазоне: от 1 до 1000 А. Двухко-ординатные позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) тепловых и холодных нейтронов существенно расширяют возможности подобных установок по сравнению с обычными счетчиками [1]. Для проведения эффективных измерений по времяпролетной методике требуются детекторы, обладающие следующими характеристиками: временное разрешение — не хуже 10 мкс, координатное разрешение — 2 мм, максимальная загрузка — не менее 105 нейтрон • с-1 [2].
На существующих нейтронных рефлектометрах и малоугловых спектрометрах в основном применяются многопроволочные пропорциональные камеры, заполненные гелием-3 [3]. Главный недостаток детекторов данного типа - необходимость высокого давления гелия-3 для эффективной регистрации тепловых нейтронов. Например, для нейтронов с длиной волны 1.82 А для того, чтобы достигнуть эффективности 60%, требуется 5 атм гелия-3 и зазор 1 см. Так как регистрация нейтрона происходит в толстом слое газа, существует неопределенность времени попадания нейтрона в детектор. Кроме того, при высоком давлении требуется дорогостоящий корпус с толстым входным окном (до 10 мм алюминия), на котором неизбежны рассеяния нейтронов (при длине волны 10 А - 15%). Неизбежна потеря рабочей газовой смеси и, как следствие, падение эффективности
детектора и амплитуды сигналов. Полимеризация газов в высоком электрическом поле является главной причиной старения даже в случае использования сверхчистых газов [4], поэтому детекторы, работающие в пропорциональном режиме с большим газовым усилением, должны быть оборудованы системами газовой очистки высокого давления.
В настоящей работе представлен двухкоорди-натный позиционно-чувствительный детектор нейтронов с конвертирующим слоем из твердого бора-10.
1. ЗАХВАТ НЕЙТРОНА, ПОЗИЦИОННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Детектирование нейтрона основано на регистрации частиц, образованных в двух реакциях захвата тепловых нейтронов ядрами 10В:
п + 10В ^ 4Не + 7Ы* ^ 4Не (1.47 МэВ) +
+ 7Ы(0.84 МэВ) + у(0.480 МэВ) п + 10В ^ 4Не (1.47 МэВ) + 7Ы(1.32 МэВ).
Полное сечение данных реакций составляет 3.8 • 10-21 см2 при длине волны нейтронов 1.82 А. Вклад реакции с вылетом фотона составляет 94%. Из кинематических расчетов следует, что ядра 7Ы и 4Не в обеих реакциях вылетают изотропно приблизительно под углом 180° друг к другу. Пробег а-частицы с энергией 1.47 МэВ в боре составляет 3.6 мкм. Таким образом, эффективность конверсии теплового нейтрона в слое бора составит от 1 до 5%. Для увеличения эффективности регистрации нейтронов могут быть использованы несколько элементов с бором-10, расположенных последовательно. В отличие от гелиевого детектора, где точка взаимодействия нейтрона с ядром гелия-3 может быть удалена на значительное рас-
248
ЛИТВИН и др.
стояние от места регистрации вылетающих заряженных частиц, в конструкции данного прибора эта точка лежит в плоскости борного слоя. В результате пространственное разрешение будет приблизительно пропорционально расстоянию между анодом и катодом и для данного детектора будет составлять 2—3 мм. Временное разрешение данного детектора будет определяться временем сбора заряда и быстродействием системы регистрации. Для данного детектора временное разрешение составляет примерно 100 нс.
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕТЕКТОРА
Конструкция детектора схематически представлена на рис. 1. На внутренней стороне стеклянной пластины толщиной 1.9 мм нанесен конвертирующий слой из бора-10 толщиной 5 мкм, покрытый 20-нм промежуточным слоем полиамида и 500-нм слоем алюминия, к которому приложено высокое отрицательное напряжение до —900 В. Другой высоковольтный катод состоит из изолированных дорожек-стрипов шириной 1.8 мм, нанесенных на стеклотекстолит с шагом 2 мм. Между катодами на расстоянии 1 мм от каждого из них расположена система анодных проволочек толщиной 20 мкм, намотанных перпендикулярно направлению катодных дорожек с шагом 2 мм. Проволочки и соответственно дорожки соединены между собой через распределенное сопротивление 1.3 кОм, образованное из 64 чип-резисторов. Ионизационный заряд, образованный под действием вылетающих а-частиц дрейфует к проволочкам, вблизи которых происходит образование лавины электронным ударом. Координата Х определяется по методу деления заряда, собираемого с двух концов распределенного
Параметры предварительного усилителя и величины выходных сигналов, полученных от события регистрации нейтрона
Параметр Единица Значение
Коэффицент усиления по напряжению 100
Входное сопротивление предусилителя Ом 300
Выходное сопротивление предусилителя Ом 50
Фронт нарастания предусилителя нс 50
Фронт нарастания анодного сигнала на выходе детектора нс 100
Фронт нарастания катодного сигнала на выходе детектора нс 100
Ширина на полувысоте анодного сигнала на выходе детектора нс 400
Ширина на полувысоте катодного сигнала на выходе детектора нс 400
Величина заряда в импульсе от нейтрона пКл 0.1
Рис. 1. Структура чувствительных элементов детектора: 1 — подложка из стекла, 2 — слой бора-10, 3 — промежуточный слой полиамида, 4 — катод из алюминия, 5 — анодные проволоки, 6 — катодные стрипы.
и, мВ 50
40
30
20
10
0
-10
-20
10 ?, мкс
Рис. 2. Формы импульсов от зарегистрированного детектором нейтрона: наклонные кресты — с анодных проволочек, прямые кресты — с катодных стрипов.
ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРОВОЛОЧНО-СТРИПОВЫЙ ДЕТЕКТОР
249
N, Гц
_l_l_I_I_I I I_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_L
0 10 20 30 40 50 60
A, каналы
Рис. 3. Амплитудный спектр, полученный с одного из измерительных каналов: квадраты — в потоке нейтронов, треугольники — фон.
N, кГц
U, каналы
Рис. 4. Счетная характеристика детектора при облучении источником 239Ри—Ве.
3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТЕКТОРА
Испытания детектора были проведены на источнике тепловых нейтронов, состоящем из постоянного 239Ри-Ве-источника быстрых нейтронов и окружающего его полиэтиленового замедлителя с толщиной стенок 5 см, обеспечивающего оптимальную термализацию. Высоковольтное питание осуществлялось с помощью модуля ВИВН-МК, который имеет как ручное управление, так и дистанционное, в том числе от ЭВМ. Осциллограммы сигналов на выходе предусили-теля, вызванных зарегистрированным нейтроном, представлены на рис. 2. Сигналы, полученные с проволочек, имеют отрицательный знак, а сигналы со стрипов являются положительными. Параметры предварительного усилителя и величины выходных сигналов, полученных от события регистрации нейтрона, приведены в таблице. Дальнейшее усиление, формирование и регистрация сигнала осуществлены спектрометрическим усилителем "Polon 1101" в системе "КАМАК" и анализатором спектра "Norland 5300". На рис. 3 представлен спектр амплитуд, измеренный с источником нейтронов и без него. Соотношение сигнал/фон составляет 28:1. На рис. 4 показана счетная характеристика детектора, полученная при различных напряжениях питания. Можно заметить, что ширина плато счетной характеристики всего лишь 50 В для данной газовой смеси. Падение счетной характеристики при напряжениях выше 800 В предположительно связано с переходом детектора в ограниченный стримерный рабочий режим и с уменьшением локального электрического поля вблизи проволочек. Из литературных данных [5] следует, что использование рабочей смеси из 80% CF4 и изобутана позволит расширить плато и увеличить коэффициент газового усиления.
Оценка эффективности детектора с одним слоем бора-10, полученная из сравнения с гелиевым счетчиком, составляет 3%.
сопротивления. Аналогично координата У определяется из соотношения двух измеренных частей наведенного заряда положительных ионов.
Через детектор непрерывно циркулирует газовая смесь из 73%Аг, 25% С02 и 2% SF6, которая прокачивается через систему фильтров и обеспечивает газовое усиление около 100. Система фильтрации в данном детекторе работает при давлении, близком к атмосферному, поэтому отличается простотой изготовления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный в Институте ядерных исследований РАН компактный позиционно-чувстви-тельный детектор нейтронов использует конвертирующий слой из бора-10. В результате разделены функции газового усиления и конверсии нейтронов. Ожидаемое координатное разрешение детектора 2—3 мм. Временное разрешение детектора не хуже 100 нс. Для увеличения эффективности прибора в дальнейшем будет собрана многослойная система из разработанных прово-лочно-стриповых элементов. Детектор работает при атмосферном давлении, что позволяет использовать тонкое входное окно (например, из
250
ЛИТВИН и др.
50-мкм алюминиевой фольги) и тем самым регистрировать как тепловые, так и холодные нейтроны вплоть до очень холодных. При этом эффективность детектора не зависит от газовой смеси.
Авторы выражают благодарность академику В.А. Матвееву и Э.А. Коптелову за поддержку работы, а также Ю.В. Рябову и Г.А. Юрченкову за помощь в изготовлении и испытании детектора. Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН "Физика эле
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.