Multiwire Position-Sensitive Neutron Detector with Two Layers of Boron-10

S. I. Potashev; Поташев С. И.; A. A. Afonin; Афонин А. А.; Y. M. Burmistrov; Бурмистров Ю. М.; A. I. Drachev; Драчев А. И.; A. A. Kasparov; Каспаров А. А.; S. K. Karaevsky; Караевский С. Х.; I. V. Meshkov; Мешков И. В.; V. N. Ponomarev; Пономарев В. Н.; V. I. Razin; Разин В. И.

doi:10.31857/S1028096024080058

Multiwire Position-Sensitive Neutron Detector with Two Layers of Boron-10

Authors: Potashev S.I.¹^,2, Afonin A.A.¹, Burmistrov Y.M.¹, Drachev A.I.¹, Kasparov A.A.¹, Karaevsky S.K.¹, Meshkov I.V.², Ponomarev V.N.¹, Razin V.I.¹
Affiliations:
1. Institute for Nuclear Research of the RAS
2. P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS
Issue: No 8 (2024)
Pages: 36-41
Section: Articles
URL: https://ogarev-online.ru/1028-0960/article/view/274323
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096024080058
EDN: https://elibrary.ru/ELRONX
ID: 274323

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Multiwire position-sensitive neutron detector with two layers of boron-10 was developed to detect both thermal and fast neutrons. Sensitive dimensions of two coordinate neutron detector are 50 × 50 mm. New detector characteristics are compared with ones of 100 × 100 mm detector built earlier which we used in neutron flux spatial distribution measurement. Plane-parallel design of new detector has symmetrical structure with respect to wire anode and also includes two intermediate grids and two cathodes made of parallel wires with 2 mm pitch and two silicon substrates coated boron-10 layers of 0.003 mm thickness. Detector geometry, working gas mixture and pressure are chosen so as to ensure full absorption of secondary alpha particle from reaction with thermal neutron within detector gas medium half thickness. Neutron coordinates are determined from measured ionization loss pulse heights produced by secondary nucleus. Detector expected efficiency to thermal neutrons is about 5%. The detector can be used in small-angle and diffraction scattering setups in condensed matter physics.

Keywords

thermal neutrons, boron-10 isotope, position-sensitive detector, small-angle scattering, condensed matter state

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Для исследования параметров решетки кристаллов и других периодических структур используют нейтронные дифрактометры [1, 2]. Для исследования упорядоченной решетки магнитных квазичастиц (скирмионов) и спиновых волн в нецентросимметричных магнетиках и структуры поликристаллических веществ и порошков в физике конденсированного состояния применяются установки малоуглового рассеяния [3]. Ключевым элементом этих установок и дифрактометров является позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов [4]. К настоящему времени наиболее востребованным для этой цели инструментом является детектор на основе пропорциональной камеры с наполнением газовой смесью, в составе которой содержатся ядра изотопа ³He [5–7] с большим сечением захвата тепловых нейтронов 5730·10^–24 см². Он характеризуется высокой эффективностью до 70% в диапазоне длин волн от 1.8 до 4 Å и позиционным разрешением до 2 мм, которые хорошо подходят для исследования структуры кристаллитов, вихревой структуры в сверхпроводниках [8] и изучения биологических молекул [9]. Однако рабочий газ гелий-3 является дорогим веществом, производимым только в России и США в ограниченных количествах. Кроме того, высокая диффузионная способность гелия-3, находящегося под давлением, может привести к утечке, это требует использовать толстые стенки и окна в детекторах, а положение плоскости, в которой происходит взаимодействие нейтрона с ³He, имеет неопределенность по глубине газового слоя в несколько сантиметров. Это, в свою очередь, приводит к неопределенности по времени пролета на короткой пролетной базе. Кроме того, появляется высокая чувствительность к фону рассеянных нейтронов, то есть теряется свойство избирательности к направлению потока нейтронов.

В последние годы высокий интерес возник к гибридным детекторам, совмещающим слой распространенного и дешевого твердого бора-10 и пропорциональную камеру [10–13]. Преимущество использования в качестве конвертера нейтронов бора-10 состоит в том, он имеет достаточно большое сечение захвата нейтронов с энергией более 1 МэВ, которым не обладают гелий-3 и литий-6. Поэтому такой детектор имеет чувствительность к нейтронам с энергией от тепловых до несколько МэВ, то есть является всеволновым. Лучший результат по эффективности регистрации тепловых нейтронов с длиной волны λ = 4.9 Å составляет 54%, который был получен при использовании 10 слоев ¹⁰B [12]. Размеры чувствительной области составляли 200 × 200 мм, позиционное разрешение 3 мм. Большинство из этих детекторов [10–12] используют в качестве электродов сетки электронного умножения (GEM-сетки), они представляют собой каптоновые (полиимидные) пленки с отверстиями диаметром ~20–150 мкм. Это означает, что образовавшиеся вторичные ядра преимущественно не могут преодолеть данный электрод и дают сигнал только в одном газовом зазоре.

Мы предложили использовать сетки из проволок диаметром ~20 мкм и, тем самым, расширить функциональность детектора [13–15]. Появилась возможность измерять ионизационные потери вторичного ядра (в частности, ⁴He) в двух и более зазорах и использовать корреляции сигналов от одного ядра для идентификации отдельных ядерных реакций, в том числе, под действием быстрых нейтронов [16]. Такой детектор продемонстрировал избирательность к направлению потока нейтронов и возможность измерения в условиях фона рассеянных нейтронов [17]. В отличие от ядра ³He сечение ядерных реакций под действием нейтрона на ядре ¹⁰B в диапазоне энергий от 1 до 7 МэВ находится на уровне (0.1÷1)·10^–24 см², достаточное для детектирования в потоках нейтронов от 10⁵ см^–2·с^–1. Развитием этого детектора является новый позиционно-чувствительный детектор, который может быть настроен для регистрации амплитуд как быстрых, так и тепловых нейтронов [18].

КОНСТРУКЦИЯ НОВОГО ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ДЕТЕКТОРА РАЗМЕРОМ 50 × 50 ММ

Новый позиционно-чувствительный детектор [19] содержит два слоя конвертера из ¹⁰B, нанесенного на кремниевые пластины каждая толщиной 0.38 и диаметром 70 мм. Слои ¹⁰B внутри детектора расположены навстречу друг другу и служат катодами 1 и 2, как показано на рис. 1. Между катодами расположена рамка с проволочным анодом 3, по обеим сторонам которого размещены две пары рамок 4, 5, 6 и 7, с проволочными сетками для измерения координат. Параллельные проволочки сеток 4 и 6 для измерения координат X₁ и X₂ ориентированы ортогонально параллельным проволочкам сеток 5 и 7 для определения координат Y₁ и Y₂. Между рамками с сетками и анодом установлены прокладочные шайбы 8, которые определяют расстояние между проволочными плоскостями. Расстояние между каждым катодом и анодом выбрано 9.5 мм, что вполне достаточно для поглощения ядер ⁴He и ⁷Li из реакции:

$т + {}^{10}B \to {}^{4}H e (1.73 М э В) + {}^{7}L i (1.013 М э В) .$

Рис. 1. Устройство позиционно-чувствительного детектора: 1 — первый слой конвертера из бора-10 на кремниевой подложке; 2 — второй слой конвертера из бора-10 на кремниевой подложке; 3 — рамка с анодными проволочками с базовым высоким напряжением питания; 4 — рамка с проволочками для измерения координаты X1; 5 — рамка с проволочками для измерения координаты Y1; 6 — рамка с проволочками для измерения координаты X2; 7 — рамка с проволочками для измерения координаты Y2; 8 — прокладочные шайбы; 9 — основание герметичного корпуса; 10 — крышка герметичного корпуса.

Диаметр золоченых вольфрам-рениевых проволок анода составляет 0.02 мм, а диаметр золоченых проволок из бериллиевой бронзы сеток составляет 0.05 мм. Шаг проволок равен 2 мм. Рамки, на которых натянуты проволоки, являются склеенными из стеклотекстолитовой рамки с рисунком металлизированных дорожек толщиной 1 мм и из Al₂O₃-керамической подложки также толщиной 1 мм. Такая рамка отличается высокой плоскостностью и электрической прочностью до 20 кВ/мм. Для экономии электронных каналов каждые 3 проволоки электрически соединены на выходном разъеме для каждой координатной сетки X₁, X₂, Y₁ или Y₂, и наведенные сигналы с них подаются на 8 электронных каналов платы усилителя УЛБ-8 [20]. При условии превышения порога в одном из каналов координаты X₁ и в одном из каналов координаты Y₁, либо при превышении порога в одном из каналов координаты X₂ и в одном из каналов координаты Y₂ сигналы со всех 32 выходных каналов с четырех плат УЛБ-8 поступают на цифровой сигнальный процессор CAEN DT5550, данные с которого в виде осциллограмм записываются на диск компьютера. Координата определяется как центр тяжести распределения амплитуд восьми наведенных зарядов. Таким образом, новый детектор имеет два активных слоя и вдвое большую эффективность по сравнению с предыдущим однослойным детектором размером 100 × 100 мм.

ИЗМЕРЕНИЯ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ДЕТЕКТОРОМ РАЗМЕРОМ 100 × 100 ММ

Особенности работы нового позиционно-чувствительного детектора нейтронов размером 50 × 50 мм можно проанализировать исходя из данных, полученных с помощью детектора размером 100 × 100 мм с наполнением газовой смесью Ar + 25%CO₂. Данный детектор 100 × 100 мм был размещен на выходном коллимированном канале нейтронного источника на базе линейного ускорителя электронов с энергией от 5 до 8 МэВ [21]. Информацию о каждой координате определяли из величин амплитуд, поступающих с двух концов цепочки резисторов, выводы отдельных резисторов которой присоединены к отдельным проволокам. Для определения позиционного разрешения тепловых нейтронов выполняли измерения потока нейтронов из канала с маской из кадмия, в которой имелись три отверстия диаметром 2 мм, расположенные на одной линии и находящиеся на расстоянии 20 мм друг от друга, как это представлено на рис. 2. Кроме того, для сравнения на рис. 3 представлено распределение нейтронов без маски. Расстояние от центра нейтронообразующей (бериллиевой) мишени до детектора составляло около ~3 м. Пространственное разрешение как полная ширина пика на половине высоты максимума составило ~2 мм вдоль оси X и ~4 мм вдоль оси Y. Эти величины согласуются с результатами моделирования и соответствуют расстоянию от поверхности со слоем ¹⁰B до плоскости проволочного анода 2 мм и расстоянию до плоскости полоскового катода 4 мм соответственно [22]. Эффективность детектора к тепловым нейтронам составила в экспериментах от 3 до 1.5% в зависимости от максимальной энергии нейтронов источника от 3.5 до 6 МэВ. Она была получена на фотонейтронном источнике с использованием стандартного ³He-счетчика с известными характеристиками для нормирования потока нейтронов. Следует заметить, что этот счетчик является чувствительным не только к нейтронам потока из канала, но и к рассеянным нейтронам в экспериментальном зале. В измерениях с ³He-счетчиком учитывали только нейтроны с энергией от 0.02 до кадмиевой границы 0.55 эВ, определяемой по времени пролета. Для ¹⁰B-детектора учитывали также нейтроны с энергией ниже 0.55 эВ. Кроме того, из источника на детекторы падал спектр нейтронов, а не нейтроны с выделенной энергией. Тем не менее наблюдали плавное падение эффективности ¹⁰B-детектора с ростом максимально возможной энергии нейтронов из источника, как это показано на рис. 4.

Рис. 2. Измеренное детектором размером 100 × 100 мм распределение потока нейтронов N на расстоянии 3 м от бериллиевой мишени из канала с маской из кадмия с тремя отверстиями диаметром 2 мм, расположенными на одной линии и находящимися на расстоянии 20 мм друг от друга.

Рис. 3. Измеренное детектором 100 × 100 мм распределение потока нейтронов N на расстоянии 3 м от бериллиевой мишени из канала фотонейтронного источника.

Рис. 4. Зависимость эффективности 10B-детектора от максимальной энергии нейтронов источника.

ОЖИДАЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НОВОГО ДЕТЕКТОРА

Новый позиционно-чувствительный детектор разрабатывали, прежде всего, как детектор быстрых нейтронов с измерением энергии нейтрона по величинам ионизационных потерь и углам вылета вторичных ядер ⁴He и ⁷Li. Для этого должна быть использована информация о распределении зарядовых сигналов со всех четырех проволочных сеток. Однако для тепловых нейтронов детектор можно рассматривать как два независимых последовательных детектора, и в этом случае его эффективность удваивается, а энергию нейтронов можно определить по времени пролета. Как и в детекторе размером 100 × 100 мм, мы предполагаем использовать газовую смесь Ar + 25%CO₂. Используя разработанную нами программу моделирования для расчета ионизационных потерь в последовательных параллельных плоскостных слоях газа и тонких слоях твердых веществ и приняв упрощенно, что середина трека ионизации вторичного ядра является приближенно координатой нейтрона, мы получили координатное распределение по X, как показано на рис. 5а, и по Y, как представлено на рис. 5б. В результате аппроксимации этих кривых с помощью распределения Гаусса, а кривой на рис. 5б также и распределения Больцмана, была получена величина полной ширины пика на половине высоты максимума, равная 2 мм для координаты X и 4 мм для координаты Y, которые мы принимаем как позиционное разрешение. Расчетная оценка эффективности такого двухслойного детектора дает для тепловых нейтронов ~5%.

Рис. 5. Ожидаемое расчетное координатное распределение нейтронов N для детектора размером 50 × 50 мм по осям X (а) и Y (б). Сплошные кривые — аппроксимация с помощью распределения Гаусса, штриховая кривая — аппроксимация с помощью распределения Больцмана.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан двухслойный позиционно-чувствительный детектор нейтронов размером 50 × 50 мм на основе двух слоев ¹⁰B с эффективностью к тепловым нейтронам до 5%. На основе сравнения с результатами экспериментов с детектором размером 100 × 100 мм и расчетов даны оценки позиционного разрешения 2 мм по координате X и 4 мм по координате Y.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики, направление № 6 “Ядерная и радиационная физика”.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

S. I. Potashev

Institute for Nuclear Research of the RAS; P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS

Author for correspondence.
Email: potashev@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312; Moscow, 119991