CC BY
25
УДК 539.074.8
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ В ИОНИЗАЦИОННО-НЕЙТРОННОМ
КАЛОРИМЕТРЕ
А. П. Жуков1, Г. Т. Зацепин1, Г. И. Мерзон2, Р. А. Мухамедшин1, В. А. Рябов2, Т. Саито3, Н. М. Соболевский1, В. А. Царев2, А. П. Чубенко2
Анализируются возможности использования в иониза-ционно-нейтронном калориметре годоскопа сцинтилля-ционных детекторов на основе пластического сцинтил-лятора в качестве замедлителя и детектора нейтронов, образованных при взаимодействии космических частиц высокой энергии. Показано, что введение в структуру калориметра тонких слоев кадмия или гадолиния повышает эффективность регистрации нейтронов и позволяет существенно уменьшить вклад фоновых нейтронов.
Идея регистрации нейтронов, возникающих при взаимодействии космических лучей высокой энергии с веществом, была высказана еще в 1973 г. [1] и получила дальнейшее развитие в проекте ионизационно-нейтронного калориметра (ИНКА), предназначенного для исследования первичных космических лучей [2-4]. Привлекательность этой идеи состоит в том, что измерение числа нейтронов, образованных при возбуждении и расщеплении атомных ядер поглотителя ионизационного калориметра (ИК), когда в нем развивается каскад вторичных частиц, дает независимую дополнительную информацию об энергии и природе первичной частицы [2-4]. Так, например, число нейтронов в адронных ливнях является мерой их энергии и, в среднем, примерно в 20 раз превышает число нейтронов в электромагнитных ливнях той же энергии [2, 31. Таким образом,
1 Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва, Россия.
2Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия.
3Токийский университет, Токио, Япония.
ИНКА оказывается более информативным и, следовательно, более универсальным измерительным прибором, чем обычный ИК.
Таблица 1
Термализация и диффузия нейтрона до захвата в обычном и борироьанном (0.6%10В) полистироле, а также в годоскопе сцинтилляционных детекторов сечением 2 х 2 см2 на основе полистирола, покрытых слоем гадолиния толщиной Юлекле*
Вещество Обычный Борированный** Детектор
полистирол полистирол на основе (СН2)п
(СН2)п (СЯ2)П + 0.6%1ОЯ +10 мкм Сс?
Начальная энергия 1 . - 2 1 2 1 2
нейтрона Еп, МэВ
Длина термализации 6.38 8.07 3.95 4.97 6.34 8.05
нейтрона 1т, см
Время термализации 1.7 1.7 0.83 0.81 1.62 1.63
нейтрона ¿у, мкс
Длина миграции 10.2 11.5 6.59 8.3 6.66 8.41
нейтрона 1м, см
Время диффузии до- 100 99.8 2.45 2.43 4.24 4.23
захвата нейтрона мкс
Потери на захват 0 0 ~ 40 ~ 40 0 0
нейтронов при
термализации, %
Примечания:
* Расчет по коду ЬОЕ1МТ на основе 28-групповых констант ЕШАВ. Нейтрон считается термализованным, если его энергия в результате очередного акта рассеяния стала < 0.215 эВ.
** Потери нейтронов в процессе термализации в борированном полиэтилене достигают 40%. Поэтому цифры относятся к 60% нейтронов, избежавших захвата при термализа-
ттттт*
Подавляющая часть вторичных нейтронов возникает в процессе испарения возбужденных ядер. Поэтому первоначальная энергия нейтронов Еп близка к 1 - 2 МэВ, т.е. они являются быстрыми нейтронами. Поскольку значительно удобнее регистрировать
тепловые, а не быстрые нейтроны, их предварительно термализуют (т.е. замедляют до тепловой скорости). Для этого в состав ИНКА вводят водородосодержащий замедлитель (например, полиэтилен) [2 — 5]. Процесс термализации длится 1— 2 ж к с (табл. 1). Поэтому нейтронный сигнал запаздывает по отношению к сигналу от каскада заряженных частиц (ионизационному или ливневому сигналу). Различие во времени появления этих сигналов позволяет измерять их раздельно (и даже одними и теми же детекторами).
Нейтронный сигнал регистрируют во временном окне, отвечающем времени диффу зии тепловых нейтронов до их захвата в материале ИНКА (табл. 1). Для регистрации нейтронов в состав ИНКА вводят нейтронные детекторы, например, пропорциональные счетчики СН-17 или СН-18 [2, 3, 5], наполненные газообразным 3Яе под давлением 7 атм. Захват тепловых нейтронов в 3Яе происходит в реакции п +3 Не —» р +3 Я + С?, идущей с сечением ас = 5400 бн и выделением энергии ф = 0.764 МэВ [6 - 8], что с вероятностью около 80%, обеспечивает регистрацию теплового нейтрона, попавшего в объем счетчика.
В полиэтилене (или полистироле) суммарное среднее смещение (длина миграции) /д/ испарительного нейтрона в процессе его термализации и последующей диффузии теплового нейтрона (между точками образования и захвата нейтрона) составляет 10-12 см (табл. 1). Поэтому для эффективной регистрации нейтронов нейтронные детекторы следует располагать примерно на таком же или меньшем расстоянии друг от друга. Однако при объеме ИНКА порядка 1 м3 необходимое количество таких детекторов и доля занимаемого ими объема оказываются слишком велики, а стоимость ИНКА заметно возрастает.
Регистрация нейтронов сцинтилляционными детекторами ИНКА. Возможен и другой альтернативный вариант структуры ИНКА, когда полистирол, составляющий основу сцинтилляторов сцинтилляционных счетчиков, которые регистрируют ливневые заряженные частицы, служит также и для замедления нейтронов, после чего они детектируются теми же счетчиками [4].
Полистирол (СЯг)« ~~ углеводород с плотностью 1.032 гсм~3 эффективно замедляет нейтроны, поскольку содержит 14.3% водорода. Захват тепловых нейтронов в полистироле происходит в реакциях п + р —)► с? + <5(2.24 МэВ) и п +12 С —>13 С, идущих с сечениями сг? = 311 мбн и а^ = 3.8мбн, соответственно [6, 7]. В последнем случае образуется устойчивый изотоп 13 С.
Применение обычных пластических сцинтилляторов на основе (СЯ2)„ для регистрации нейтронов, вообще говоря, возможно, но неэффективно. Действительно, длина
пробега до взаимодействия в полистироле захватного (т.е. образованного при захвате теплового нейтрона) гамма-кванта с энергией 2.24 МэВ составляет 20 см [12]. Поэтому, учитывая миграцию нейтрона до его захвата, гамма-квант Материализуется б заряженные частицы (фотоэлектрон, комптон-электрон или электрон-позитронную пару) на расстоянии порядка 25 см от точки рождения нейтрона. При этом амплитуда создаваемого сигнала (2.24 МэВ) в пластине сцинтиллятора сечением 2x2 см2 оказывается примерно в 2 раза меньше сигнала (> А МэВ) от релятивистской заряженной частицы, пересекающей эту пластину. Время диффузии ¿д до захвата тепловых нейтронов в (СЯ2)„ близко к 100 мке (табл. 1), что, вообще говоря, удобно для измерения нейтронного сигнала. Однако в течение этого времени регистрируются не только нейтроны, рожденные в столкновении космической частицы высокой энергии, но и фоновые нейтроны, поэтому ¿д следует по возможности сокращать.
Пути повышения эффективности регистрации нейтронов и отношения сигнал/фон. Очевидно, что измеряемый фон посторонних нейтронов пропорционален (а) доле объема ИНКА, в котором регистрируются нейтронные события, и (б) длительности временного окна, используемого для измерения амплитуды нейтронного сигнала.
Для подавления постороннего фона целесообразно ограничить регистрацию нейтронных событий только той долей объема ИНКА, где развивается каскад заряженных частиц и возникают испарительные нейтроны (область ионизации, индивидуальная для каждого события). Точнее говорить о более широкой области, включающей и заряженные частицы, образованные при конверсии захватных гамма-квантов (нейтронная область). Организуя опрос детекторов в соответствии с картиной развития ливня (т.е. только в области ионизации), можно уменьшить вклад фоновых нейтронов в регистрируемый нейтронный сигнал. При подобном пространственном ограничении опрашиваемых детекторов потери счета нейтронов оказываются тем меньше, чем больше число захватных гамма-квантов и, соответственно, электронов их конверсии.
Необходимая длительность временного окна для регистрации нейтронного сигнала определяется временем диффузии тепловых нейтронов до их захвата ~ 3¿д), а момент открытия окна - временем ¿т термализации нейтронов. Чтобы уменьшить вклад фоновых событий, ооа эти параметра также следует сокращать.
Таким образом, для эффективной регистрации нейтронов в ИНКА и максимального отсечения фоновых нейтронов, необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:
(1) Малые время и длина термализации нейтрона. Этому способствует выбор замед-
лителя с высокой плотностью водорода, например, (СН2)п (Рн — 0.148 г/см3, табл. 1).
(2) Малые время и длина диффузии термализованных нейтронов, что позволяет сократить длительность временного окна, в котором они регистрируются. С этой целью в структуру ИНКА вводят материалы (литий, бор, кадмий, гадолиний), обладающие большим сечением захвата тепловых нейтронов [6, 7].
0.01 0.1
Energy, eV
Рис. 1. Сечения захвата тепловых и надтепловых нейтронов в водороде, литии, боре, кадмии и гадолинии [6, 7].
Таблица 2
Отношение сечений захвата нейтронов при энергиях Еп = 1 эВ (надтепловой нейтрон) и Еп — 0.026 эВ (тепловой нейтрон) в Ы, В, С<1 ^ Св.
------- JL DU т: иь D ±J П J KJ Uj /~и uu
сгс(1 эВ)/сгс (0.026 эВ) 0.164 0.171 0.0077 0.00011
(3) Отсутствие захвата нейтронов в процессе термализации. Для этого конструкционные материалы ИНКА должны обладать малым сечением захвата быстрых и
надтепловых нейтронов. Чтобы совместить требования (2) и (3), следует применять в качестве поглотителей нейтронов не литий или бор, а кадмий или гадолиний [8]. Действительно, сечения захвата нейтронов в литии и боре в падтепловой области падают с энергией значительно медленнее, чем в кадмии и гадолинии [6, 7] (рис. 1). Поэтому, как показывают расчеты (табл. 2), при термализации в пластическом сцинтилляторе, содержащем 0.6% 10В, поглощается около 40% образованных нейтронов.
Таблица 3
Захват тепловых нейтронов в Н, 6Ы, 10В, Сй, и (2с?
Элемент Н* 6Ы 10 В С(1 в(1
Заряд ядра 2 1 3 10 48 64
Атомная масса А 1.008 6.0 10.82 112.11 157.26
Плотность р, г/см3' 0.143** 0.534 2.45 8.65 7.95
Сечение захвата тепло- 0.311 945 3838 2537 46617
вого нейтрона ас. бн
Длина поглощения теп- ЗбхЮ4 200 90 84 7
лового нейтрона 1а, мкм
Среднее число 1 0 1 4.1 4.6
захватных 7-квантов
Энергетический выход 0.764 4.785 2.791 16.4 13.9
реакции захвата ф, МэВ
Полная энергия Е, МэВ, 2.24 0 0.478 16.4 13.9
переданная 7-квантам
Средняя энергия Е^, МэВ 2.24 0 0.478 4.0 3.1
захватного 7-кванта
* Для водорода в полистироле.
** Парциальная плотность водорода в полистироле.
(4) Число и суммарная энергия захватных гамма-квантов должны бы^ь, по возможности, велики. Заметим, что с этой точки зрения наиболее выгодны также кадмий и гадолиний, в которых, в среднем, образуются 4.1 и 4.6 захватных гамма-квантов со средней энергией 3.9 и 3.1 МэВ, соответственно [9] (табл. 3).
(5) Вторичные электроны от материализации захватных гамма-квантов должны возникать вблизи точки захвата нейтрона. Последнее возможно только при короткой
радиационной длине материала ИНКА, что противоречит его концепции, требующей наличия значительной доли легкого вещества. В то же время электроны конверсии захватных гамма-квантов имеют энерг ию до нескольких мег аэлектронвольт, и их пробе! в (СН2)п не превышает 1-2 см.
Введение кадмия и гадолиния в структуру ИНКА. Выше была обоснована целесообразность введения в структуру ИНКА кадмия или гадолиния, которые интенсивно поглощают тепловые нейтроны, уменьшают длину их миграции и время диффузии до захвата и не создают (как в случае применения бора) потерь быстрых и надтепловых нейтронов при их термализации, а также образуют большое число захватных гамма-квантов (и, соответственно, конверсионных электронов). Это способствует эффективной регистрации нейтронов и подавлению постороннего фона, что отвечает условиям (1)-(4). Так, например, время диффузии тепловых нейтронов в (СЯ2)„ в присутствии малых количеств гадолиния падает со 100 до 4.2 мкс (табл. 1), что позволяет во столько же раз снизить вклад фоновых нейтронов.
Сечения захвата тепловых нейтронов в природных смесях изотопов кадмия и гадолиния равны, соответственно, 2537 и 46617 бн [6, 7] (табл. 3). Как уже говорилось, при захвате ими тепловых нейтронов высвечивается, в среднем, 4.1 и 4.6 захватных гамма-квантов с энергией до ~ 9 и ~ 7 МэВ [9]. Таким образом, в противоположность поглощению нейтрона бором-10, где возникает лишь один сравнительно мягкий гамма-квант с энергией 0.478 МэВ, в кадмии и гадолинии интенсивность нейтронного сигнала возрастает из-за большего числа и более высокой энергии захватных гамма-квантов.
Длины поглощения 1а теплового нейтрона в Сс1 и 0(1 малы и составляют, соответственно, 84 и 7 мкм (а в Сс10 и Стс^Оз - ~ 120 и 10 мкм). Для реализации предлагаемого метода пластины сцинтиллятора прокладываются кадмиевой фольгой толщиной 0.1 мм, что обеспечивает эффективный захват тепловых нейтронов. (Известны также попытки ввести пропионат кадмия в состав пластического сцинтиллятора без ухудшения его оптических свойств [10].) Еще удобнее применять в качестве поглотителя тепловых нейтронов окись гадолиния 0<12 Оз - аморфный порошок белого цвета с плотностью 7.41 г/см3 [11]. Благодаря громадному сечению захвата тепловых нейтронов природным гадолинием, достаточно нанести на пластину сцинтиллятора слой С^Оз толщиной всего 10 мкм. Смесь окиси гадолиния с олифой или другой органической основой может быть использована в виде краски, способной также диффузно отражать свет сцинтилляций, возникающих под действием ионизирующих частиц. Следует также изучить возможность введения металлоорганических соединений гадолиния в состав
сцинтиллятора. Некоторым недостатком применения кадмия и гадолиния является то, что пробег энергичных захватных гамма-квантов в (СЯ2)„ достигает 20-30 см [12]. Расстояние, на котором материализуются эти гамма-кванты, сокрахцается при чередовании в структуре ИНКА слоев сцинтиллятора и свинца.
Компоновка ИНКА, содержащего кадмий или гадолиний. Выбрана следующая компоновка варианта ИНКА, предназначенного для аэростатных исследований спектра пер вичных электронов космических лучей в области энергий 1-10 ТэВ [2, 3].
Сборка ИНКА имеет форму параллелепипеда с площадью основания 1 л«2 и толщиной 0.46 м и содержит сцинтилляционные детекторы в виде стержней сечением 2x2 см2 и длиной 1 м. Заметим, что электроны с энергией 3-4 МэВ, возникающие при конверсии захватных гамма-квантов, тормозятся и регистрируются в пределах одного или двух соседних сцинтилляционных детекторов.
Стержни четных и нечетных рядов уложены крест-накрест. С торцов каждый из них просматривается фотодетектором. Возможна иная система собирания света с применением переизлучающих пластин (шифтеров), торцы которых заведены на многоканальный фотодетектор. На боковые плоскости стержней нанесено покрытие, эквивалентное слою Gd203, толщиной 10 мкм. Каждый стержень обернут свинцовой фольгой (0.5 Л1ж), так что толщина свинца между соседними стержнями составляет 1 мм = 0.2Ьрь [Ьрь = 0.56 см, - радиационная длина свинца). Наличие тяжелого поглотителя между соседними стержнями также способствует конверсии захватных гамма-квантов.
Аэростатный модуль ИНКА [2] размером 1 х 1 х 0.46 м3 содержит 21 ряд сцинтилляционных детекторов на основе (СЯ2)П по 45 в одном ряду. Каждый детектор заключен в оболочку из свинцовой фольги. Общее число сцинтилляционных детекторов ИНКА 945. Их общий вес (без фотодетекторов, каркаса, контейнера, радиоэлектронной аппаратуры и источника питания) составляет около 850 кг, а вместе с этими аксессуарами около 1 т. Космическая частица, проходящая вдоль оси симметрии ИНКА, пересекает 43.3 гсм~2 полистирола (1.04 радиационных или 0.53 ядерных длин, соответственно) и 23.84 гсм~2 свинца (3.75 радиационных или 0.12 ядерных длин, соответственно), в сумме, 67.14 гсм~2 вещества, т.е. 4.8 радиационных или 0.65 ядерных длин. Таким образом, аэростатный вариант ИНКА, имеющий апертуру 4.73 м2 стер и весом около 1 т способен за 1 месяц полета зарегистрировать около 50 электронов первичного космического излучения с энергией Ее > 1012 эВ, ожидаемый спектр которых широко дискутируется в литературе (см., например, [2], рис. 2.1 и рис. 2.4).
Итак, мы можем заключить, что введение в структуру ионизационно-нейтронного калориметра небольших количеств кадмия или гадолиния обеспечивает эффективную регистрацию нейтронов в сцинтилляционных детекторах, которые используются для регистрации каскадов заряженных частиц, образованных первичной космической частицей высокой энергии, при одновременном сокращении в ~ 25 раз вклада фоновых нейтронов.
Настоящая работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, проект N 05-02-17599.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В е z г u к о v L. В., Beresnev V. I., Zatsepin G. Т., et al. Sov. J. Nucl. Phys., 17, 98 (1973).
[2]Aleksandrov К. V., Ambrosio M., A m m о s о v V. V., et ai. Preprint of Lebedev Physical Institute No. 47, Moscow, 1998.
[3]Aleksandrov К. V., Ammosov V. V., A n t о n о v a V. P., et al. Nucl. Instr. Meth., 459A, 135 (2001).
[4] Александров К. В., Аммосов В. В., Антонова В. П. и др. Изв. Академии наук, Сер. физ., N 1, 1624 (2002).
[5] А м м о с о в В. В., М е р з о н Г. И., С а и т о Т. и др. Письма в ЖТФ, 24, N 20, 35 (1998).
[6] Таблицы физических величин, ред. И. К. Кикоин (Москва, Атомиздат, 1976).
[7] Атлас нейтронных сечений. Изд. 2. (Москва, Атомиздат, 1959).
[8] Александров К. В., Кузнецов Е. П., Мерзон Г. И. и др. ДАН, 363, N 5, 610 (1998).
[9] Г р о ш е в JI. В., Демидов А. М., Луценко В. Н., Пелехов
В. И. Атлас гамма-лучей радиационного захвата тепловых нейтронов (Изд. ГУ ИАЭ СМ СССР, Москва, 1958).
[10] Н у е s F. N., О t t D. G., and Kerr V. Y. Nucleonics, 14, 42 (1956).
[11] Handbook of Chemistry and Physics, 35th Edition. Ed. by C. D. Hodgman (Chemical Rubber Publ. Co., Cleveland, 1955).
[12] Review of Particle Physics. The European Physical Journal, 15C, no. 1-4, 169 (2000).
Поступила в редакцию 22 апреля 2005 г.
