CC BY
17ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2017, том 27, № 1, с. 10-18 РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ
УДК 539.1.074.823
© С. Х. Караевский, С. И. Поташев, Ю. М. Бурмистров, А. И. Драчев, А. А. Афонин, В. И. Разин
ДВУМЕРНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ТЕПЛОВЫХ И ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ РАЗМЕРАМИ
120 х 120 мм И 380 х 380 мм С АКТИВНЫМ СЛОЕМ ИЗ БОРА-10
Создан двумерный детектор медленных нейтронов на основе пропорциональной газовой камеры с активным слоем из 0В форматом 120 х 120 мм и спроектирован многослойный аналогичный детектор 380 х 380 мм. Соотношение эффект./фон < 10-5. Экспериментальное амплитудное разрешение 15 %, координатное разрешение ~2.5 мм. Эффективность регистрации детектора, состоящего из 10 слоев оценивается как 41 % (при длине волны нейтрона X ~ 1.82 А) и 62 % (при X ~ 8 А). Создано оборудование для вакуумного литья и сборки деталей рам-электродов, станок для намотки проволоки, натяжения пленок и фольги на рамы.
Кл. сл.: детектор, нейтрон, бор-10, двумерный, газовый
ВВЕДЕНИЕ
Двумерный детектор медленных нейтронов на основе твердого 10В и пропорциональной камеры может использоваться в качестве монитора нейтронного потока или детектора для установки малоуглового рассеяния для исследования наноструктур при длине волны нейтронов от 0.9 А [1], а при длине волны 8 А — для исследования структуры биомолекул [2]. Такой детектор является альтернативой детекторам нейтронов на основе дорогостоящего изотопа гелий-3, обладает большей стабильностью параметров. Разделение функций конвертирования нейтрона в заряженные частицы с помощью слоя бора-10 и последующего детектирования этих частиц решает не только проблему стабильности газовой смеси, но и позволяет работать при нормальном давлении дешевых газов. Локализация точки взаимодействия нейтрона в плоскости слоя бора-10 позволяет достичь высоких координатного и временного разрешений. Недавно было заявлено о создании детектора с многослойной структурой 10В [3] с форматом активной площади 200 х 200 мм, однако реально был построен детектор из 3 слоев с эффективностью 8 % при X = 1.82 А. Преимуществом детекторов на основе твердого 10В является малая толщина входного окна, долговечность, возможность применять его в экспериментах с холодными нейтронами [4].
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
ДЕТЕКТОР РАЗМЕРАМИ 120 х 120 мм
Детектирование основано на регистрации заряженных частиц 4Не и вылетающих из ядерных реакций взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами 10В с сечением 3837 бн:
п + 10В ^ (с вероятностью 93.6 %)
4Не (1.472 МэВ) + 7У (0.841 МэВ) + Y (0.476 МэВ);
п + 10В ^ (с вероятностью 6.4 %) 4Не (1.476 МэВ) + ^ (1.013 МэВ).
Конструкция ионизационного детектора размером 120 х 120 мм представлена на рис.1. Передний катод представляет из себя 2 мм стеклянный диск с нанесенным на него 3 мкм слоем 10В и слоем алюминия толщиной 0.1 мкм. Анод состоит из массива проволочек из сплава ВР20 с шагом намотки 2 мм. Задний катод изготовлен из стеклотекстолита и имеет изолированные медные полоски шириной 2 мм. Расстояние между анодом и каждым катодом равно 2 мм. Проволочки анода и полоски заднего катода взаимно перпендикулярны друг другу и соединены между собой через сопротивления величиной 20 Ом. Для определения координаты х (или у) применяется метод деления заряда из соотношения амплитуд сигналов Х\ и Х2 (или Yl и Y2) с двух концов распределенного сопротивления. Потенциал анода составляет от +620 до +920 В для газовой смеси Аг + 25% С02 + + 0.3% CF3Bг при нормальных условиях.
0380
Рис. 1. Устройство пропорциональной камеры.
1 — крышки корпуса; 2 — боковая стенка корпуса; 3 — болты и гайки; 4 — окно; 5 — пластина из стекла; 6 — слой бора-10; 7 — слой полиимида; 8 — слой алюминия; 9 — высоковольтный сигнальный проволочный анод координаты х; 10 — сигнальный полосковый катод координаты у; 11 — фторопластовый кожух детектирующего элемента; 12 — фиксатор стеклянной пластины; 13 — несущий элемент проволок
160 140 120 100 80 60 40 20 0
Х1
Х9
Рис. 2. Корреляции амплитуд сигналов Х1 и Х2 при 700 В
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ С ДЕТЕКТОРОМ 120 х 120 мм
Детектор испытывался на компактном источнике нейтронов ИЯИ РАН на базе ускорителя электронов ЛУЭ-8 с максимальной плотностью
7 -2 —1
потока тепловых нейтронов ~10 см с . Детектор
был размещен под углом 60° к пучку на расстоянии ~ 6 м от бериллиевой мишени.
На рис. 2 представлена двумерная диаграмма корреляций между амплитудами сигналов Х1 и Х2 при напряжении питания и = 700 В. Спектр суммы амплитуд Х1 и Х2, из которого получено амплитудное разрешение ~15 %, приведен на рис. 3.
ЮО НО 120 130 140 150
60 80
ЮО 120 х, мм
Рис. 3. Спектр амплитуды при 700 В
Табл. 1. Расчетные значения эффективности детектора
Порог, МэВ А = 1.82 А А = А А = 8 А А = 16 А
0.01 6.2 % 8.8 % 11.6 % 15.0 %
0.2 4.5 % 6.3 % 8.2 % 10.5 %
Х2
100
80
60
■ М / ™ • •• • • •
•Т и • •• • ••4 1*
• 1 • м ♦ » • *
Р
: I I *
4</■
20
О 50 100 150 200 Х
Рис. 5. Корреляции амплитуд X и Х2 при 650 В
Спектр координаты х показан на рис. 4. Структура максимумов и минимумов отражает изменение эффективности вблизи проволочек и между проволочками при напряжении и = 700 В. Из факта наблюдения этой структуры получаем оценку координатного разрешения ~ 2.5 мм. Скорость счета в детекторе при максимальном
Рис. 4. Координатный спектр при 700 В
токе пучка ~ 40 мкА составляла ~ 25 с1. Из телесного угла детектора и величины плотности потока нейтронов получена оценка эффективности детектора ~ 4 %. Сравнения измеренных и расчетных амплитудных спектров с учетом толщин слоев В и алюминия позволяет определить порог регистрации, составивший величину 0.2 МэВ. В табл. 1 приведены расчетные значения эффективности детектора при двух порогах регистрации.
В другом эксперименте перед детектором была установлена кадмиевая диафрагма толщиной 2 мм таким образом, что правый край был закрыт вдоль оси х. Ширина открытого окна составляла 7.5 см. На рис. 5 представлена диаграмма корреляций между амплитудами сигналов Х\ и Х2 при напряжении и = 650 В. Главная часть событий 99.99 % концентрируется в эллиптическом пунктирном локусе. Для событий, попадающих в этот эллиптический локус, координатный спектр для горизонтальной координаты х представлен на рис. 6. Для тех 0.01 % событий вне эллиптического локуса характерны амплитуды, на порядок превышающие амплитуды для событий внутри эллиптического локуса. Как показали измерения в тех же условиях на ускорителе, но без бериллиевой мишени, вклад фоновых событий составил не более 0.001 %.
многопроволочной пропорциональной камеры с двумя активными слоями представлена на рис. 7.
Корпус детектора состоит из двух 20 мм дюралюминиевых рам с окном для нейтронов из алюминий-магниевого сплава АМГ6 толщиной 0.5 мм и площадью (380 • 380) мм2. Между рамами последовательно расположены:
• алюминиевый катод с 2.5 мкм слоем 10В и с 0.2 мкм слоем алюминия;
• изолирующая рама;
• рама-анод с проволокой толщиной 20 мкм с шагом намотки 2 мм, координата Х1;
• рама-катод с проволокой толщиной 50 мкм с шагом намотки 1 мм, координата У12;
• рама-анод с проволокой толщиной 20 мкм с шагом намотки 2 мм, координата Х2;
• изолирующая рама;
• алюминиевый катод с 2.5 мкм слоем 10В и с 0.2 мкм слоем алюминия.
Все элементы камеры герметизируются с помощью вакуумной резины и стягиваются по периметру болтами.
Аноды состоят из 192 параллельных и изолированных друг от друга проволочек диаметром 20 мкм из вольфрам-рениевого сплава, покрытого золотом, и крайних охранных проволок толщиной 50, 80 и 200 мкм, расположенных с шагом 2 мм.
Рис. 7. Устройство ионизационной камеры.
1 — несущая рама; 2 — изоляторы из полиимида; 3 — верхний катод из алюминия со слоем бора-10, покрытый алюминием; 4 — высоковольтный проволочный анод координаты Х\\ 5 — сигнальный проволочный катод координаты У12; 6 — высоковольтный проволочный анод координаты Х2; 7 — полевые проволочки диаметром 50, 80 и 200 мкм для плавного спадания поля на краях; 8 — нижний катод из алюминия со слоем бора-10 покрытый алюминием; 9 — резиновое уплотнение; 10 — рама из кварца и компаунда; 11 — плата с элементами задержки и предварительным усилителем; 12 — болт и гайка
N 50 000
40 000
30 000
0 20 40 60 о0 100 120 X, мм
Рис. 6. Координатный спектр при 650 В для событий внутри эллиптического локуса
ПРОЕКТ МНОГОСЛОЙНОГО ДЕТЕКТОРА РАЗМЕРОМ 380 х 380 мм
Вышеописанный детектор является прототипом для многослойного детектора с активными слоями толщиной 2.5 мкм 10В, нанесенными на алюминиевый катод. Конструкция базового модуля
Центральный катод, расположенный в середине сборки камеры, состоит из электрически разъединенных 192 пар проволочек диаметром 50 мкм из покрытой золотом бериллиевой бронзы. Шаг проволочек равен 1 мм. Проволочки анодов перпендикулярны проволочкам катода. Слои бора-10 направлены внутрь сборки электродов. Плотность газа внутри камеры выбирается так, чтобы пробег вторичных заряженных частиц не превышал зазор между центральным и периферийными катодами. Для увеличения суммарной эффективности в детекторе размещают последовательно несколько базовых модулей.
Проволочки каждой рамы соединены между собой через дискретные линии задержки величиной 1.25 нс, состоящие из дискретных индуктив-ностей и емкостей. Таким образом, общая задержка сигнала каждого анода и катода составляет 239 нс. Сигналы с двух концов линии задержки каждого анода и центрального катода поступают на входы усилителей. Импульс триггера события запускается при превышении порога дискриминатора сигналом на выходе предварительного усилителя с одного из катодов.
Эффективность регистрации нейтронов зависит только от толщины слоя 10B. Эффективность незначительно падает за счет толщины входного окна и других элементов, находящихся перед активными слоями пропорциональной камеры.
Пространственное разрешение в основном зависит от парциального давления CF4. Увеличение парциального давления улучшает разрешение, но и повышает рабочее напряжение питания камеры. Зазор между анодом и катодом составляет 6.67 мм. Объем газа внутри рам равен 4.27 л.
СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ
Структурная схема системы сбора данных на основе трех аналого-цифровых сигнальных процессоров DT5720 фирмы CAEN изображена на рис. 8. Первый и второй модули 13 (DT5720-0) и 14 (DT5720-1) работают с минимальным квантом времени 4 нс и используют 2 канала и 4 канала регистрации соответственно. Третий модуль 17 (DT5720-2) использует квант времени 1 мкс и один канал регистрации. Синхроимпульс ускорителя подается на вход "tr-2" и в течение заданного времени в канале "0-2" модуля 17 регистрирует форму каждого импульса, поступающего с выхода формирователя 15, на вход которого поступают сигналы с предварительных усилителей 3 и 4 центрального катода пропорциональной камеры. Импульс с выхода формирователя 15, который свидетельствует о детектировании очередного нейтрона, подается на вход "tr-1" модуля 14
Рис. 8. Структурная схема системы сбора данных с модулями CAEN DT5720
и транслируется в нем на выход gpo , который подается на вход "Чг-0" модуля 13. Сигналы, подаваемые на входы 'Чг-0" и 'Чг-1", запускают кодирование формы сигналов, поступающих с двух концов катодной линии задержки для координаты У через предварительные усилители 3 и 4 и усилители 9 и 10 на входы "0-1" и "1-1" модуля 14. Одновременно эти сигналы запускают кодирование формы сигналов, поступающих с двух концов анодных линий задержки для координаты Х\ через предварительные усилители 1 и 2 и усилители 7 и 8 на входы "0-0" и "1-0" и координаты Х2 через предварительные усилители 5 и 6 и усилители 11 и 12 на входы "2-0" и "3-0" модуля 13 для определения координат этого нейтрона.
Кодирование и запись данных о координатах нейтрона из модулей 13 и 14 в память компьютера осуществляются в течение 300 нс, после чего эти модули приводятся в исходное состояние ожидания поступления новых сигналов на входы "Чг-0" и "Чг-1".
Кодирование и запись данных о времени пролета нейтрона из модуля 17 в память компьютера осуществляются в течение периода 1000 мкс, после чего этот модуль приводится в исходное состояние
ожидания поступления нового сигнала синхроимпульса ускорителя на вход "1х-2".
Из осциллограмм определяются точное положение вершин импульсов, а по ним временн е
отметки для определения координат Х1, Х2 и У и времени пролета нейтрона. За период между синхроимпульсами ускорителя можно зарегистрировать данные о нескольких нейтронах.
Модуль содержит малошумящий усилитель и формирователь со следящим порогом.
Параметры усилителя:
• Коэффициент преобразования
• Динамический диапазон сигналов, мкА
• Время нарастания и время среза выходного импульса
Параметры формирователя:
• Диапазон нижнего порога, В
• Диапазон верхнего порога, В
• Временное разрешение выходного импульса
0.2 В / 1 мкА от 0.3 до 4 10 нс
0-0.5 0-2
170 пс
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДЕТЕКТОРА
На рис. 9 представлен ожидаемый спектр заряженных частиц, вылетающих из слоя толщиной 2.5 мкм кристаллического 10В с плотностью 2.35 г/см3. Необходимо также учитывать ослабление потока нейтронов за счет 2 мм толщины входного окна и первого электрода, которое составляет 2 % при X = 1.82 А, 6.5 % при X = 4 А, 10 % при X = = 8 А. Для каждой последующей пары слоев необходимо учитывать ослабление потока нейтронов в 2 мм алюминиевой пластине. Полная эффективность детектора определяется суммарным слоем 10В. В табл. 2 приводим расчетную эффективность для различных длин волн нейтронов. Эффективность детектирования нейтрона зависит только от толщины слоев бора-10, доли вылетевших альфа-частиц и ядер лития-7, а также от эффективности регистрации их пропорциональной камерой. В состав газовой смеси входит Аг, С02 и фреон CF4. Фреон уменьшает пробег вылетающих частиц, что улучшает позиционное разрешение детектора. Кроме того, фреон вместе с С02 препятствуют возникновению непрерывного газового разряда. Пространственное разрешение определяется главным образом зазором анод—катод, размерами области ионизации, создаваемой вылетающими частицами, шагом проволок регистрирующих катодов и величиной элементарной дискретной задержки сигнала между соседними проволочными стрипами. Размер области ионизации зависит от пробегов альфа-частицы и ядра лития-7 в газе. Позиционное разрешение за счет геометрии вылета частиц равно 3.4 мм. Распределение координаты представлено на рис. 10. Другой фактор, влияющий на пространственное разрешение, — метод считывания. Если временное разрешение составляет 0.5 нс и задержка между двумя проволочками с шагом 2 мм составляет 1.25 нс, то вклад этого фактора 0.7 мм.
Табл. 2. Расчетная эффективность многослойного детектора (%)
Число слоев
2 4 6 8 10
А, А
1.82
10.0
19.0
27.1 34.4 41.0
4
13.7 25.5 35.7 44.5 52.1
8
17.7 32.3 44.2
54.1
62.2
16
21.1 37.7 50.9 61.2 69.4
Из двухслойных модулей собирается многослойный детектор. Полная эффективность детектора определяется суммарным слоем 10В. В табл. 3 приводим расчетную эффективность для различных длин волн нейтронов. Созданное в ИЯИ РАН оборудование позволяет создавать большие многослойные позиционно-чувствительные детекторы на основе слоев 10В и ионизационных камер. Рамы камер изготавливаются методом вакуумного литья из термически обработанной смеси кварцевого песка и компаунда в пресс-форме. Точность изготовления не хуже 0.02 мм. Из элементов рамы и печатных плат электродов на монтажном столе склеивается рама. Намотка проволоки на раму осуществляется на станке с точностью шага проволочек 0.02 мм. Слой 10В формируется на поверхности пластины, фольги или полиимидной пленки. Из рам электродов собирается пакет детектора.
Табл. 3. Технические характеристики разрабатываемого детектора
№ Параметр Величина Комментарий
1 Активная площадь (384 ■ 384) мм2 Окно 400 х 400 мм
2 Толщина слоя 10В 2.5 мкм Два слоя имеют 5 мкм 10В
3 Рабочий газ 5№) : 4(Аг) : 1(С02) Общее давление 1 бар
4 Пространственное разрешение 3.5 мм За счет физической неопределенности — 3.4 мм, за счет метода считывания —1 мм
5 Эффективность регистрации нейтронов детектором из 2 слоев 10.3 % при к = 1.82 А; 14.7 % при к = 4 А; 19.6 % при к = 8 А; 25.6 % при к = 16 А Электронная лавина регистрируется от каждой заряженной частицы с порогом регистрации 50 кэВ
6 Эффективность регистрации нейтронов детектором из 10 слоев 41.0 % при к = 1.82 А; 52.2 % при к = 4 А; 62.2 % при к = 8 А; 69.4 % при к =16 А Электронная лавина регистрируется от каждой заряженной частицы с порогом регистрации 50 кэВ
7 Эффективность по у < 0.001 % Измерения с детектором 120 х 120 мм
8 Катодная проволока 50 мкм Бериллиевая бронза
9 Анодная проволока 20 мкм Вольфрам—рений, покрытая золотом
10 Катод 1) 500; 2) 2.5; 3) 0.1 мкм 1) А1; 2) 10В; 3) А1
11 Расстояние анод—катод 6.67 мм Катод—анод; анод—дрейфовый электрод
12 Габариты 650x650x80 (190) мм Для 2 слоев; в скобках указано для 10 слоев
13 Вес 45 (110) кг Для 2 слоев; в скобках указано для 10 слоев
х, см
Рис. 10. Распределение по координате центра тяжести лавины
ВЫВОДЫ
1. Создан 2D-детектор тепловых и холодных
10
нейтронов на основе слоя B и ионизационной камеры размером 120 х 120 мм.
2. Детектор имеет низкую чувствительность к у-квантам и быстрым нейтронам. Соотношение эффект./фон <10-5. Амплитудное разрешение ~15 %, координатное разрешение ~2.5 мм.
3. Имеющееся в ИЯИ РАН оборудование позволяют создавать позиционно-чувствительные детекторы тепловых нейтронов на основе слоев
B с форматом рабочей площади 380 х 380 мм.
4. Эффективность детектора из 10 слоев 10B будет составлять ~41 % при длине волны 1.82 Â и до 62 % при 8 Â с разрешением 4 мм, что соответствует лучшим мировым образцам с рекордной рабочей площадью (380 • 380) мм .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарнавич В.В., Волегов А.С., Лотт Д., Матаух С., Воробьев А., Олешкевич А., Григорьев С.В. Структурные и магнитные свойства гольмий-иттриевой сверхрешетки // Поверхность. 2014. № 10. С. 19-25.
2. Efremov R., Shiryaeva G., Bueldt G., Islamov A., Kuk-lin A., Yaguzhinsky L., Fragneto-Cusani G., Gordeliy V. SANS investigations of the lipidic cubic phase behaviour in course of bacteriorhodopsin crystallization // J. of Cryst. Growth. 2005. Vol. 275, no. 1-2. P. e1453-e1459. Doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.11.235.
3. Klein M., Schmidt C.J. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics // Nucl. Instr. Meth. A. 2011. Vol. 628, no. 1. P. 9-18.
Doi: 10.1016/j.nima.2010.06.278.
4. Bleuel M., Carpenter J.M., Micklich B.J., Geltenbort P., Mishima K., Shimizu H.M., Iwashita Y., Hirota K., Hi-no M., Kennedy S.J., Lal J. A small angle neutron scattering (SANS) experiment using very cold neutrons (VCN) // Physica B: Condensed Matter. 2009. Vol. 404, no. 17. P. 2629-2632. Doi: 10.1016/j.physb.2009.06.048.
Институт ядерных исследований РАН, г. Москва
(Караевский С.Х., Поташев С.И., Бурмистров Ю.М., Афонин А.А., Разин В.И.)
ОАО ГНЦРФ ГНИИХТЭОС, г. Москва (Драчев А.И.)
Контакты: Караевский Сергей Харитонович, karaevsk@inr.ru
Материал поступил в редакцию: 13.01.2017
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2017, Vol. 27, No.l, pp. 10-18
TWO DIMENSION DETECTORS FOR THERMAL AND COLD
NEUTRONS WITH SIZES 120 x 120 mm AND 380 x 380 mm WITH ACTIVE LAYER
OF SOLID BORON-10
S. Kh. Karaevsky1, S. I. Potashev1, Yu. M. Burmistrov1, A. I. Drachev2, A. A. Afonin1, V. I. Razin1
1 Institute for Nuclear Research of RAS, Moscow, Russia 2The State Scientific Center of RF "State Research Institute for Chemistry and Technology of Organoelement Compounds" of the RF Ministry for Industry and Trade, Moscow, Russia
Two dimension slow neutron detector on base of gaseous chamber with active boron-10 layer of area (120 * x 120) mm2 is created and many boron-10 layer detector of area (380 • 380) mm2 is proposed. Effect to background ratio is less than 10-5. Experimental pulse height resolution is equal 15 %, position resolution is approximately 2.5 mm. Efficiency for detector of ten boron-10 layers is evaluated as 41 % (A-1.82 A) and 62 %
(A~8 A).
Keywords: detector, neutron, boron-10, two-dimentional, gaseous
REFERENCES
1. Tarnavich V.V., Volegov A.S., Lott D., Mattauch S., Vo-robiev A., Oleshkevych A., Grigoriev S.V. [Structural and magnetic properties of the holmium-yttrium superlattice]. Poverchnost' [Journal of Surface Investigation], 2014, vol. 8, no. 5, pp. 976-982. Doi: 10.1134/S1027451014050425.
2. Efremov R., Shiryaeva G., Bueldt G., Islamov A., Kuk-lin A., Yaguzhinsky L., Fragneto-Cusani G., Gordeliy V. SANS investigations of the lipidic cubic phase behaviour in course of bacteriorhodopsin crystallization. J. of Cryst. Growth, 2005, vol. 275, no. 1-2, pp. e1453-e1459. Doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.11.235.
Klein M., Schmidt C.J. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics. Nucl. Instr. Meth. A, 2011, vol. 628, no. 1, pp. 9-18. Doi: 10.1016/j.nima.2010.06.278.
Bleuel M., Carpenter J.M., Micklich B.J., Geltenbort P., Mishima K., Shimizu H.M., Iwashita Y., Hirota K., Hi-no M., Kennedy S.J., Lal J. A small angle neutron scattering (SANS) experiment using very cold neutrons (VCN). Physica B: Condensed Matter., 2009, vol. 404, no. 17, pp. 2629-2632. Doi: 10.1016/j.physb.2009.06.048.
Contacts: Karaevsky Sergey Kharitonovich, karaevsk@inr.ru
Article received in edition: 13.01.2017
