ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 5-12
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.384.633.4+539.126
СОЗДАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧКА НЕЙТРОНОВ НА СИНХРОЦИКЛОТРОНЕ ПИЯФ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ
© 2010 г. Н. К. Абросимов, Л. А. Вайшнене, А. С. Воробьев, Е. М. Иванов, Г. Ф. Михеев,
Г. А. Рябов, М. Г. Тверской, О. А. Щербаков
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН Россия, 188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Е-шаП: shcherba@pnpi.spb.ru Поступила в редакцию 02.12.2009 г.
Приводятся характеристики созданного на синхроциклотроне 1000 МэВ ПИЯФ РАН нейтронного пучка с энергетическим спектром, повторяющим спектр атмосферного нейтронного излучения. Пучок предназначен для тестирования радиационной стойкости электроники и удовлетворяет международному стандарту ШБЕС. Единственный экспериментальный стенд с близким к стандарту спектром нейтронов в диапазоне энергий 0.1—750 МэВ создан в Лос-Аламосской Национальной лаборатории (США) с использованием линейного протонного ускорителя LAMPF; он используется для испытаний электронной аппаратуры в авиа- и космических фирмах США, Европы и Азии. В отличие от испытательных стендов в Лос-Аламосе и Уппсале (Швеция), в ПИЯФ РАН использован метод с рождением нейтронов на внутренней мишени ускорителя. Создание нейтронного пучка и испытательного стенда значительно расширяет экспериментальные возможности по радиационным исследованиям и может послужить базой для создания в ПИЯФ РАН уникального центра по радиационным испытаниям авиа- и космической электронной аппаратуры в соответствии с требованиями международных стандартов.
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование космической и авиационной техники в значительной степени связано с широким использованием современной микро- и на-ноэлектроники. Одно из основных требований к такой электронике — способность длительное время надежно функционировать в радиационных полях космического пространства и верхних слоях атмосферы. В настоящее время нормативные акты России и ведущих стран мира включают стандарты на обязательные испытания радиационной стойкости электронной аппаратуры авиационной и космической техники. Международный нормативный документ JEDEC STANDARD (Measurement and Reporting of Alpha Particles and Terrestrial Cosmic Ray-Induced Soft Errors in Semiconductor Devices) [1] предписывает проводить испытания электронных и радиоизделий в потоках нейтронов со спектром, подобным спектру нейтронов в атмосфере с широким диапазоном энергий, простирающихся от низких до 1 ГэВ. За эталон JEDEC STANDARD принят спектр нейтронов над Нью-Йорком (США).
Экспериментальный стенд ICE House на базе протонного ускорителя, где наиболее точно реализован подобный спектр нейтронов (в диапазоне энергий 0.1—750 МэВ), создан в нейтронном научном центре Лос-Аламосской Национальной
лаборатории (LANSCE) [2], где и проводят испытания электронной аппаратуры авиа- и космические фирмы США, Европы и Азии.
Типичные параметры протонного пучка: частота повторения 100 Гц, длительность макроимпульса 625 мкс, период микроимпульсов 1.8 мкс, интенсивность 3 • 108 протонов в микроимпульсе, что соответствует среднему току протонного пучка 1.6 мкА. Нейтронообразующая вольфрамовая мишень, являясь источником радиоактивного излучения, расположена в отдельном бетонном боксе, в стене которого находится коллиматор. Для очистки нейтронного пучка от сопутствующих частиц между мишенью и коллиматором поставлен электромагнит-сепаратор. В пучке происходит ускоренное радиационное испытание электроники. Облучение в таком пучке нейтронов в течение 1 ч эквивалентно 100 годам эксплуатации в условиях полета самолета на высоте 10 км.
Нужда в создании других испытательных центров электронной аппаратуры в нейтронных полях не удовлетворяется, в том числе и потому, что число действующих в мире ускорителей с энергией около 1000 МэВ, подходящих для этих целей, единицы. Поэтому некоторые фирмы ограничиваются испытанием аппаратуры в нейтронных полях с ограниченным по энергии спектром. Такие испытания широко проводятся, например, на ней-
Рис. 1. Общий вид залов синхроциклотрона.
тронном генераторе в Уппсале (Швеция) с использованием циклотрона на энергию до 180 МэВ [3].
Для создания испытательного стенда нами использованы имеющаяся на синхроциклотроне внутренняя мишень и инфраструктура работающего в ПИЯФ времяпролетного нейтронного спектрометра ГНЕЙС.
1. СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ НЕЙТРОННОГО ПУЧКА НА СИНХРОЦИКЛОТРОНЕ ПИЯФ РАН
1.1. Синхроциклотрон 1 ГэВ и спектрометр ГНЕЙС
На рис. 1 приведена схема экспериментально-
го комплекса синхроциклотрона 1000 МэВ
ПИЯФ РАН, в том числе и ангар спектрометра
ГНЕЙС.
Основные параметры синхроциклотрона [4, 5],
приведенные ниже, в принципе, удовлетворяют
условиям для получения нейтронного пучка с
энергетическим спектром, повторяющим спектр
атмосферного нейтронного излучения: энергия
протонов 1 ГэВ; ток внутреннего пучка протонов
<3 мкА; частота 40—60 Гц; коэффициент вывода
пучка 30%; скважность 50%.
На синхроциклотроне ПИЯФ с 1975 г. действует времяпролетный спектрометр ГНЕЙС [6, 7], предназначенный для изучения нейтрон-ядерных взаимодействий с использованием техники времени пролета в диапазоне энергий нейтронов от ~10-2 эВ до нескольких сотен мегаэлектронвольт. Охлаждаемая водой свинцовая мишень, расположенная внутри вакуумной камеры ускорителя, используется как импульсный нейтронный источник типа "spallation" со средней интенсивностью 3 • 1014 нейтронов/с, длительностью нейтронной вспышки 10 нс и частотой повторений до 50 Гц. Для проведения физических экспериментов на спектрометре используются как нейтроны, вылетающие из свинцовой мишени, так и нейтроны, испытавшие многократные столкновения в полиэтиленовом замедлителе. Схема нейтронного спектрометра ГНЕЙС представлена на рис. 2.
Основные характеристики спектрометра ГНЕЙС: импульсный источник нейтронов — средняя интенсивность быстрых нейтронов <3 х х 1014 нейтронов/с, длительность вспышки быстрых нейтронов ~10 нс, частота вспышек нейтронов <50 Гц, размеры внутренней свинцовой охлаждаемой мишени 40 х 20 х 5 см, полиэтиленового замедлителя — 30 х 10 х 5 см; спектрометр — чис-
СОЗДАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧКА Здание ГНЕЙС
.Нейтронные ¿ловушки
Детектор у-вспышки
^ЗШЯ-
Защитная стена главного зала ускорителя
Нейтронные шиберы
Ионизационные камеры делений
Коллиматоры
Пучок быстрых
нейтронов
• . ..у
Pb-мишень Пучок
протонов
Привод системы "мишень—замедлитель"
Рис. 2. Схема нейтронного времяпролетного спектрометра ГНЕЙС. К и К2 — нейтронные коллиматоры.
ло вакуумированных пролетных баз — 5, длина пролетных баз 35—50 м, размеры экспериментального зала (здание ГНЕЙС) 45 х 30 м.
1.2. Применение инфраструктуры ГНЕЙС для получения спектра нейтронов, повторяющего спектр атмосферного нейтронного излучения
Создание пучка на внешней мишени потребовало бы больших затрат по созданию тракта транспортировки протонного пучка, радиацион-но-защищенного мишенного устройства, создания нового экспериментального зала, что связано с проведением строительных работ. В нашем случае для получения широкого спектра нейтронов вплоть до 1000 МэВ с распределением по энергиям, аналогичным спектру атмосферных нейтронов, оказалось гораздо проще использовать существующую инфраструктуру спектрометра ГНЕЙС и его внутреннюю мишень. Здесь необходимо отметить ряд моментов:
1. Для получения широкого спектра нейтронов, включая нейтроны высоких энергий, необходимо использовать нейтроны не из замедлите-
ля, а из мишени. Такая возможность на спектрометре ГНЕЙС предусмотрена.
2. Ускоритель, нейтронопроводы, мишень и здание спектрометра ГНЕЙС (см. рис. 1 и рис. 2) расположены таким образом, что угол отбора нейтронного пучка равен 27—32°.
3. Расстояние от мишени до аппаратуры в зале ГНЕЙС составляет 30—40 м, что сравнимо с 12 м на установке ICE House в Лос-Аламосе. На последней для радиационных испытаний обычно используется протонный пучок до 1.7 мкА, тогда как внутренний пучок в синхроциклотроне ПИЯФ достигает 3 мкА.
4. Расчеты для нейтронного источника ГНЕЙС были выполнены с помощью программного комплекса GEANT-4 [8]. Рассчитывался выход нейтронов из свинцовой мишени при облучении ее протонами с энергией 1000 МэВ и интенсивностью пучка внутри камеры синхроциклотрона ПИЯФ 1.8 • 1013 нейтронов/с. Длина мишени по пучку равнялась 40 см. Расстояние до "точки наблюдения" было взято равным 30.5 м, диапазон регистрируемых углов 20—35°. Было показано, что рассчитанный энергетический спектр нейтронов
а = 32 7
Рис. 3. Схема работы нейтронного генератора. 1 — "конечная" орбита протонов с энергией 1 ГэВ; 2 — пластины электростатического дефлектора; 3—нейтронообра-зующая мишень; 4 — сгусток протонов; 5 — блок питания и управления дефлектором; 6 — ось направления нейтронного пучка; 7 — направление касательной к орбите; 8 — направление оси выводимых из ускорителя протонов для использования их в различных физических экспериментах; 9 — направление магнитного поля ускорителя.
близок по форме к стандартному спектру, а по величине потока в области выше 1 МэВ отличается от установки ICE House не более чем на 20%.
5. Отметим также, что, применяя различные режимы работы импульсного дефлектора, отклоняющего пучок на внутреннюю мишень, возможно регулировать временную структуру нейтронного пучка и тем самым обеспечить дополнительные преимущества нашей схемы [9].
1.3. Импульсный дефлектор
Схема работы синхроциклотрона с внутренней нейтронообразующей мишенью приведена на рис. 3. На радиусе "конечной" орбиты ускоряемых протонов 1 установлен электростатический дефлектор 2. На этом же радиусе, ниже плоскости орбиты 1, установлена нейтронообразующая мишень 3. Таким образом, ни дефлектор 2, ни мишень 3 не препятствуют свободному движению сгустка ускоренных протонов 4. Пластины дефлектора 2 подсоединены к многофункциональному блоку питания и управления дефлектором 5.
В нужный момент, когда сгусток 4 достигает предельной энергии и вращается по конечн
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.