ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 6, с. 876-878
УДК 539.1.08
СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ НЕЙТРОНОВ
© 2007 г. А. В. Андреев1, Ю. М. Бурмистров2, Е. С. Конобеевский2, В. Н. Марьин2,
М. В. Мордовской2, С. И. Поташев2
E-mail: mvmordovsk@mail.ru; konobeev@inr.ru
Описан стенд для исследования характеристик времяпролетных детекторов нейтронов. Детекторы в виде прямоугольных призм с сечением 100 х 100 и 100 х 200 мм2 и длиной 300, 400 и 500 мм изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы и просматриваются с двух концов фотоумножителями. Детекторы облучаются коллимированным пучком нейтронов с энергией 14 МэВ, получаемых в реакции d + t ^ n + 4He. Наличие коллимированного пучка позволяет исследовать пространственное разрешение длинных детекторов. Точка взаимодействия определяется либо по времени прихода световой вспышки на противоположные концы сцинтилляторов, либо по соотношению амплитуд сигналов, снимаемых с концов сцинтилляторов. Стенд позволяет также измерять абсолютную эффективность детекторов разной длины при энергии нейтронов 14 МэВ.
Цель представленной работы - исследование характеристик детекторов, необходимых для проведения предложенного нами эксперимента по определению синглетной длины пи-рассеяния в реакции М-развала на нейтронном канале Московской мезонной фабрики ИЯИ РАН [1]. В эксперименте предполагается определение длины рассеяния из зависимости выхода реакции М-развала от величины энергии относительного движения г„„ = = (Е1 + Е2 - 2(Е1Е2)1/2ео8 0)/2 двух нейтронов в кинематической области, отвечающей малым значениям этой энергии. В эксперименте будут регистрироваться в совпадении два нейтрона, вылетающие в узком конусе углов относительно направления движения их центра масс, измеряться энергии этих нейтронов Е1 и Е2 и угол 0 между ними. Энергия нейтронов измеряется по времени пролета. По условиям эксперимента, нейтронные детекторы должны удовлетворять следующим требованиям: эффективность регистрации нейтронов с энергиями 10-20 МэВ не менее 0.1, временное разрешение не хуже 0.5 нс. Кроме того, из экономических соображений (количество детекторов и блоков электроники сбора информации) каждый детектор должен иметь размеры поперечного сечения при регистрации нейтронов не менее 10 х 10 см2. Этим требованиям могут соответствовать детекторы из сцинтилляционной пластмассы размерами от 10 х х 10 х 30 см. Большой продольный размер (относительно пролетной базы нейтронов) приводит к заметной неопределенности во времени пролета. Для ее уменьшения необходимо определять место регистрации нейтрона в детекторе. Для выбора оптимальных размеров детекторов и отработки ме-
1 ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики, Москва.
2 Институт ядерных исследований РАН, Москва.
тода регистрации временных сигналов нами был создан описываемый ниже стенд.
Пучок нейтронов с энергией 14 МэВ получается в реакции d + t ^ п + 4Не с использованием портативного нейтронного генератора ИНГ-07 [2]. Нейтронный генератор на газонаполненных нейтронных трубках ИНГ-07 производства ВНИИА им. Н.Л. Духова имеет ряд достоинств, полезных для данного типа работ: моноэнергетический поток производимых нейтронов, удобство и безопасность эксплуатации, небольшие габаритные размеры (0170 х 420 мм) и вес. Благодаря применению смеси газов дейтерия и трития, происходит постоянное восстановление свойств мишени ("самонабивная" мишень), что обеспечивает постоянство нейтронного выхода на протяжении всего ресурса. Нами использовался импульсный режим работы ИНГ-07 (поток нейтронов 1.4 • 109 нейтр • с-1, длительность нейтронного импульса 20 мкс, ускоряющее напряжение 110 кВ).
Схема стенда показана на рис. 1. Полученные в генераторе ИНГ-07 1 нейтроны проходят через формирующую защиту-коллиматор 2 из бориро-ванного полиэтилена и набора пластин свинца и кадмия в форме параллелепипеда с размерами 70 х х 90 х 125 см и проходным отверстием в виде щели с размером 0.5 х 6 см (или на первом этапе работы 6 х 6 см). Размеры защиты рассчитывались по известной программе МС№-4В (Лос-Аламос). Соотношение потока быстрых нейтронов (14 МэВ), прошедших через коллиматор, на оси коллиматора и на расстоянии 2 см от нее должно составлять ~100 : 1 (для узкой щели). Сформированный пучок нейтронов попадает на детектор, дистанционно перемещаемый относительно оси пучка (положения детектора относительно щели обозначены на рис. 1 как 3, 4, 5). Детекторы в виде прямоугольных призм с сечением 100 х 100 и 100 х 200 мм2 и
СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ НЕЙТРОНОВ
877
Рис. 1. Схема испытательного стенда: 1 - нейтронный генератор ИНГ-07; 2 - коллиматор; 3-5 - различные положения детектора при измерениях.
t, пс 140
120
100
80
60
40
20
0
2000 4000 6000 U, мВ
Рис. 2. Зависимость "delay walk" ФСП от амплитуды входного сигнала.
R, пс 100г
80 60 40 20
1000
2000
3000 4000 U, мВ
Рис. 3. Зависимость временного разрешения ФСП от амплитуды входного сигнала.
N 2000
1500
1000
500
' |'' iVi.......ф'
01'»......
-30 -20 -10 0 10 20 30X, см
Рис. 4. Зависимость величины потока нейтронов от расстояния до оси коллиматора.
N 1200 1000 800 600 400 200 0
1200 1000 800 600 400 200 0
1200 1000 800 600 400 200 0
450 500 550 600 650 C
Рис. 5. Спектры разности времен прихода сигналов на два конца детектора для трех положений детектора относительно оси коллиматора.
1
a
0
длиной 300, 400 и 500 мм изготовлены из сцинтил-лирующей пластмассы (полистирол + терфенил + + РОРОР, производства завода "Монокристалл", г. Харьков) и просматриваются с двух концов фотоумножителями. Нами были испытаны три типа фотоумножителей - ФЭУ-143, "Каскад" и ФЭУ-83 (имеющие разные диаметры фотокатодов). Все приведенные ниже данные относятся к детекторам с фотоумножителями ФЭУ-143.
Точка взаимодействия нейтрона с веществом детектора может быть определена либо по разнице времен прихода световой вспышки на противо-
положные концы сцинтиллятора, либо по соотношению амплитуд сигналов, снимаемых с концов сцинтиллятора. Стенд позволяет также измерять абсолютную эффективность детекторов разной длины при энергии нейтронов 14 МэВ.
Для каждого зарегистрированного нейтрона записывались разница времен прихода вспышки и две амплитуды сигналов (с двух концов сцинтиллятора). В экспериментах использована электроника производства фирмы ORTEC, за исключением оригинальных формирователей со следящим порогом (ФСП), изготовленных в ИЯИ РАН, работа-
878
АНДРЕЕВ и др.
Рис. 6. Спектр соотношений амплитуд сигналов, приходящих с двух концов детектора для двух крайних положений детектора, относительно оси коллиматора.
ющих в диапазоне входных амплитуд от 30 мВ до 4 В и малочувствительных к форме импульса. Собственное разрешение ФСП составляет не более 40 пс вблизи порога. На рис. 2 приведена зависимость "delay walk" (сдвига по времени) выходного импульса от амплитуды входного сигнала. На рис. 3 показана диаграмма зависимости временного разрешения формирователя от амплитуды входного сигнала, полученная в тестовом измерении с использованием ФЭУ-143, синего импульсного лазера и оптического аттенюатора (в указанное разрешение входит и разрешение самого ФЭУ). Накопление данных осуществлялось при помощи быстрого кр-эйт-контроллера, также изготовленного в ИЯИ. Из полученного многомерного массива данных строились временные и амплитудные спектры.
Измерения проводились с двумя размерами щели коллиматора (0.5 х 6 и 6 х 6 см). Все приведенные в работе данные относятся к измерениям с широким пучком. Для узкой щели были проведены только предварительные измерения, набранная статистика недостаточна для определения параметров детекторов. В настоящее время коллиматор перестраивается для оптимизации работы с узким пучком. Однако и полученные данные свидетельствуют о возможности реализации поставленной цели.
Для определения профиля пучка использовался калиброванный детектор на основе сцинтиллиру-ющей пластмассы размером 020 х 5 мм и фотоумножителя ФЭУ-143. Этот детектор устанавливался на механизм дистанционного перемещения вместо основного детектора. На рис. 4 приведена
зависимость величины потока нейтронов от расстояния до оси коллиматора. Поток интегральный, без разделения по энергии нейтронов. Видно, что размер нейтронного пучка сравним с размерами щели коллиматора (FWHM - 7 см), а соотношение нейтронного потока на оси коллиматора и на расстоянии ~10 см от нее составляет ~100 : 1. Следует отметить, однако, что эти данные справедливы для детекторов малого объема, а для исследуемых детекторов большого объема это соотношение будет хуже из-за значительного фона у-квантов и рассеянных нейтронов из защиты-коллиматора.
На рис. 5 приведены спектры разности времен прихода сигналов на два конца детектора размерами 150 х 200 х 500 мм, для трех положений детектора относительно щели коллиматора (положения 3, 4, 5 на рис. 1). Хорошо виден сдвиг положения временного пика в зависимости от места попадания пучка в детектор. Сдвиг на расстояние в 44 см приводит к смещению во времени на 8 нс, а полуширина пиков позволяет определить место детектирования с погрешностью ~7 см и соответствует размерам щели коллиматора (с учетом краевых эффектов), полученным в измерении с калиброванным детектором. Таким образом, можно предположить, что погрешность определения места взаимодействия нейтрона в "длинном" детекторе будет не более 7 см. Для более точного определения пространственного разрешения необходимы измерения с меньшими размерами нейтронного пучка (щели коллиматора).
На рис. 6 приведены соотношения амплитуд импульсов, регистрируемых на двух концах детектора для двух крайних положений детектора относительно пучка нейтронов. По осям Y отложено количество зарегистрированных событий, а по осям X - отношение амплитуды сигнала с одного конца детектора к сумме амплитуд сигналов с обоих концов детектора. Видно, что определение места взаимодействия нейтрона с детектором по амплитудам сигналов того же порядка (~8-9 см), что и аналогичное определение из временных спектров.
В настоящее время проходит модернизация
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.