ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 70-76
УДК 539.1.074.82
РАЗРАБОТКА ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО МОНИТОРА
ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ
© 2015 г. Д. С. Ильин1, 2, Д. С. Колотушкин2, А. Г. Крившич2, А. В. Надточий2, Н. Ю. Швецова2
1Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Петродворец, Россия 2НИЦ "Курчатовский институт", Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова,
188300 Гатчина, Россия E-mail: digatchi@list.ru Поступила в редакцию 12.11.2014 г.
Для оснащения экспериментальных установок реакторного комплекса ПИК (ФГБУ ПИЯФ НИЦ КИ) средствами контроля пучков разработан позиционно-чувствительный монитор для регистрации тепловых нейтронов с плотностью потока до I = 108 н/(см2 • с). Конструкция монитора обеспечивает трансмиссию проходящего пучка на уровне не менее 95% и базируется на многопроволочной пропорциональной камере с катодным съемом информации c помощью ZC-линии задержки. В качестве рабочего газа выбраны две смеси: 3Не/СБ4 для работы с пучками с плотностью до 106 н/(см2 • с) и N2/CF4 — для I > 106 н/(см2 • с). Показано, что примененные методы компьютерного моделирования хорошо согласуются с результатами исследования характеристик рабочей газовой смеси 3Не/CF4 с использованием пучка тепловых нейтронов. Разработанный детектор может служить основой для изготовления мониторов, планируемых для оснащения экспериментальных установок на реакторе ПИК.
Ключевые слова: монитор тепловых нейтронов, многопроволочная пропорциональная камера, газонаполненный детектор.
DOI: 10.7868/S0207352815100091
ВВЕДЕНИЕ
Монитор тепловых нейтронов является специальным двухкоординатным детектором, который предназначен для измерения профиля и интенсивности проходящего пучка нейтронов. Такой класс детекторов широко применяется на ди-фрактометрах, рефлектометрах и других установках для контроля интенсивности падающего на образец пучка, а также может использоваться для настройки оптических систем установок.
Обычно мониторы устанавливают до узла образца, поэтому для минимального воздействия на проходящий пучок конструкция монитора должна иметь трансмиссию нейтронов на уровне не менее 95% при плотности потока до I = 108 н/(см2 • с). Для обеспечения требований большинства установок размер чувствительной области монитора должен составлять не более 100 х 100 мм, а пространственное разрешение по обеим координатам должно быть не хуже FWHM = 3—4 мм (Full Width at Half Maximum). Дополнительным требованием к конструкции монитора являлся продолжительный ресурс работы без обслуживания.
КОНСТРУКЦИЯ МОНИТОРА
За основу конструкции монитора взята многопроволочная пропорциональная камера с катод-
ным съемом информации с помощью ХС-линии задержки, которая обеспечивает весь комплекс перечисленных требований.
Конверторы нейтронов. Монитор предполагает возможность его использования в широком диапазоне плотности потока нейтронов, поэтому были выбраны две рабочие газовые смеси, содержащие различные газы-конверторы нейтронов: гелий 3Не и азот 14М. Преобразование нейтронов в заряженные частицы происходит в соответствии с ядерными реакциями:
3Не + п ^р + Т + 764 кэВ, (1)
3М + п ^р + 14С + 626 кэВ. (2)
Сечение реакции (1) составляет а ~ 5300 барн для длины волны нейтронов X = 1.8 А, поэтому 3Не входит в состав рабочей газовой смеси для регистрации нейтронов в пучках относительно невысокой плотности I < 106 н/(см2 • с).
Для работы монитора при плотности потока нейтронов I > 106 н/(см2 • с) в качестве газа-конвертора используется азот, имеющий сечение реакции а ~ 2 барн (X = 1.8 А). Применение азота приводит к существенному снижению эффективности регистрации нейтронов, но позволяет монитору стабильно работать в условиях высоких загрузок без необходимости изменения его кон-
л ч
св Я
1-1
С
ГаЗОВОе Элементы линии уплотнение задержки
Зазор анод—катод
Окна камеры
X, У — Стриповые электроды А — Анод
~А
1Е
КорПус
Рис. 1. Схема конструкции монитора на основе многопроволочной пропорциональной камеры.
струкции. Таким образом, даже при плотности потока нейтронов до I = 108 н/(см2 • с) многопроволочная камера работает без образования объемного заряда [1], и используется стандартная регистрирующая электроника.
Многопроволочная пропорциональная камера состоит из трех электродов (рис. 1). В центре находится анодная сетка из золоченой вольфрамовой проволочки (диаметр йА = 15 мкм, шаг намотки 5А = 3 мм). Симметрично относительно плоскости анода на расстоянии Ь = 3.75 мм расположены два катода из стальных проволочек (диаметр йс = 50 мкм, шаг намотки 5с = 1 мм). Проволочки каждого катода объединены в группы (стрипы) по три. Ширина стрипа w = 3 мм выбрана исходя из оптимального отношения ^/Ь = = 0.8 [2]. Для регистрации двух координат электронной лавины стрипы катодных плоскостей X и У ориентированы ортогонально друг другу. Отводы стрипов соединены с линией задержки, которая находится внутри газового объема и состоит из дискретных элементов. Шаг линии задержки составляет т = 3 нс, а общее число стрипов 35 по каждой координате. Размещение линии задержки внутри газового объема позволяет качественно улучшить соотношение сигнал/шум на предуси-лителях (снизить перекрестные наводки между стрипами, чувствительность к внешним шумам) по сравнению с внешним расположением.
Для входных окон газового объема монитора (рис. 1) выбран алюминиевый сплав АМг5, оптимальный по своим механическим и трансмиссионным свойствам. Каждое окно толщиной 1 мм ослабляет (поглощение и рассеивание) поток нейтронов на ~1.3% [3].
Деформация входных окон детектора при избыточном давлении рабочего газа приводит к неоднородности поглощения нейтронов. Из-за малой толщины входных окон монитора проблема
выбора давления стоит особенно остро. Использование давления рабочего газа 1 атм. абс. стало приемлемым решением данной проблемы.
Долговременная и стабильная работа монитора возможна только при условии сохранения чистоты рабочего газа. Для этого используется специальная, разработанная в ПИЯФ технология изготовления электродов детектора из высокочистого стекла низкой проводимости [3, 4]. Эта технология применялась ранее для создания двухкоординатных детекторов для дифрактомет-ров "Вектор" и "Мембрана-2" [5] (реактор ВВР-М, ПИЯФ). Следует отметить, что на сегодняшний день эти детекторы проработали без перезаполнения рабочей смеси более пяти лет (существенно дольше, чем известные аналоги) и продолжают успешно использоваться.
Все остальные элементы конструкции — уплотнения, материалы изоляции, электрические компоненты, находящиеся внутри газового объема — были исследованы на вакуумном стенде с масс-спектрометром остаточных газов и отобраны в соответствии с требованием минимального газовыделения.
Эти технологические решения позволят минимизировать выделение газовых примесей в рабочий объем монитора и достигнуть более продолжительного ресурса работы прибора.
МЕТОД СЪЕМА СИГНАЛОВ
И РЕГИСТРИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Продукты реакции (1) или (2) ионизируют рабочую газовую смесь, образуя трек первичной ионизации. Электроны первичной ионизации дрейфуют к аноду и создают вблизи него электронную лавину. При движении положительных ионов к катодам на стрипах катодов Хи Упоявляют-ся наведенные сигналы, по центру тяжести которых определяется координата события (рис. 2).
Рис. 2. Схема сбора информации с монитора. Показаны подключенные к катодным стрипам линии задержки с волновым сопротивлением _КЛЗ = 100 Ом, предусилители с входным сопротивлением Лвх = 100 Ом, четырехканальный преобразователь "время—код" (ПВК) с интерфейсной РС1-картой и компьютер (ПК).
С концов линии задержки сигналы поступают на зарядочувствительные предусилители, которые осуществляют временную привязку к входному сигналу, не зависящую от его амплитуды. Для минимизации уровня шума входное сопротивление предусилителей ^вх согласовывается с волновым сопротивлением линии задержки ^ЛЗ, и осуществляется режим "электронного охлаждения" [5]. Координата электронной лавины вычисляется по разности времен прихода импульсов с предусилителей на соответствующие преобразователи "время—код" (ПВК):
х = Ц - 1
(3)
где и ?2 — времена прихода сигналов на концы линии задержки, Т — длина линии задержки (в нс), Ь — длина чувствительной области детектора вдоль координаты х.
Используемый метод съема сигналов обеспечивает требуемое быстродействие, теоретически ограниченное длиной линии задержки Т ~ 100 нс (3 нс х 35 стрипов), при минимальном количестве регистрирующих каналов электроники. Это существенно снижает стоимость монитора в целом.
Регистрация событий осуществляется по традиционной схеме совпадений: сигнал с анода является стартовым, запускающим ПВК в режим ожидания ("временные ворота" около 1 мкс) сигналов с X- и У-катодов.
В качестве регистрирующей электроники монитора будет использоваться четырехканальный модуль ПВК, разработанный в ПИЯФ для двух-координатных детекторов тепловых нейтронов. Временной диапазон ПВК составляет 1 мкс с ценой канала 130 пс. Модуль позволяет регистрировать события со скоростью 125 кГц (при стандартном уровне просчетов 10%), что вполне достаточно для стабильной работы монитора.
ВЫБОР СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ И РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Пространственное разрешение. Продукты реакций (1) или (2) в чистом газе-конверторе при нормальных условиях имеют пробеги порядка нескольких сантиметров. Поэтому для достижения требуемого пространственного разрешения в качестве второй компоненты рабочего газа используется высокомолекулярный газ СБ4 с высокими удельными потерями энергии. Кроме этого, газ СБ4 эффективно локализует электронную лавину в месте ее образования, вблизи анодной проволочки, и позволяет иметь широкий диапазон рабочих напряжений детектора.
Центр тяжести облака первичной ионизации смещен относительно точки захвата нейтрона ядром газа-конвертора на величину г, и пространственное разрешение определяется величиной [6]:
Дх = 2г = СЯ„
Ах, мм 10 9 8 7 6 5
4
_|_I_I_I_1_
_|_I_I
Трансмиссия, % (а)
100 г
95
90
85
2
3
2
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.
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.