СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКОВ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АЛМАЗНОГО ДЕТЕКТОРА ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА Российский патент 2023 года по МПК G01T3/08 

Описание изобретения

Изобретение относится к области измерения нейтронного, рентгеновского, корпускулярного, гамма-излучения полупроводниковым детектором, а именно алмазным детектором.

Система регистрации потоков корпускулярного излучения на основе алмазного детектора предназначена для применения в лазерном термоядерном синтезе.

Большинство систем регистрации импульсных нейтронных, корпускулярных потоков строятся на базе детекторов, в которых в качестве чувствительных элементов используются различные сцинтилляторы (патент CN 111796320 А, опубл. 20.10.2020; S. Cierjacks, Т. Petkovic et. Al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, V. A238, p.354-364, 1985). Эти детекторы не способны различать различные типы излучения. Кроме того, сцинтилляционные детекторы часто требуют охлаждения для оптимизации их чувствительности, поскольку их эффективность снижается с повышением температуры

Известен времяпролетный импульсный детектор нейтронов (патент US 2014/0077093 А1), содержащий GEM-детектор (газо-электронный умножитель), включающий дрейфовый электрод, покрытый слоем нейтронно-конвертирующего материала для генерации электрического поля, множество GEM-плат, покрытых слоем нейтронно-конвертирующего материала, времяпролетный считывающий блок для обнаружения 2-D положение электрона, электронную схему таймера для фиксирования времени пролета импульсного нейтрона с помощью независимой произвольной настройки и микропроцессорный блок для выполнения цифрового расчета времени пролета.

Использование для измерений традиционных полупроводниковых детекторов, имеющих ширину запрещенной зоны 1-2 эВ, проблематично из-за нестабильной работы и малой радиационной стойкости. Известна времяпролетная система детектирования нейтронного излучения на установке NIF (National Ignition Facility) США, в которой применяются 3 детектора нейтронов на основе поликристаллического алмаза разной чувствительности (69. Yu, V., Glebov et al. «The National Ignition Facility neutron time-of-flight system and its initial performance)). Rev. Sci. Instrum. V. 81,10D325,2010).

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является устройство для детектирования нейтронов с детектором, имеющим пару разнесенных алмазных детекторных слоев, зажатых между внешними слоями кремния (патент US 2018/0120460 от 03.05.2018 «Neutron imager with spaced diamond detector arrays»). В ответ на падающие нейтроны детекторная система измеряет высоту импульсов и время отклика, и на основе этих измерений вычисляет энергию отдачи углерода и время пролета рассеянных нейтронов. Схема прибора включает в себя алмазный детектор, различное измерительное и технологическое оборудование и формирователь изображения. Детектор представляет собой «двухступенчатый» детектор, имеющий алмазный детекторный слой и связанный тонкий слой кремния. Каждый алмазный детекторный слой представляет собой набор монокристаллических алмазных детекторов (матрица три на три, состоящая из девяти кристаллов, размером 7×7×0,5 мм). В данном примере используются пластины алмазов размером 5×5×0,5 мм. Слои алмазного детектора и кремния образуют «сэндвич», при этом кремниевые слои находятся на внешних сторонах детектора и служат для отсечения фона. Два блока алмазных детекторов находятся внутри. Сигнал от детектора поступает на предусилитель, усилитель и анализатор, такие как Clearpulse 580 К, Ortec 572А и Amptek МСА800А соответственно. Для измерений времени полета (TOF) используются временные сигналы задержки между парой детекторов. Выход детектора первого детектора подается в схему измерения времени отклика (здесь она содержит усилители быстрого заряда и дискриминаторы постоянной доли (CFD)). Это время отклика является мерой скорости импульсов, что делает возможными измерения TOF.

Данная система регистрации подходит для измерений нейтронов с низкой энергией в диапазоне 10 кэВ до 1 МэВ и имеет сложную структуру детектирующего элемента.

Целью настоящего изобретения является обеспечение измерений спектров продуктов термоядерных реакций, а именно: протонов, тритонов, Не³, Не⁴, а также 2,5 и 14 МэВ нейтронов, на основании которых можно анализировать структуру термоядерного источника ЛТС, одним прибором.

Поставленная цель достигается тем, что в систему регистрации входит детектор на основе алмазной монокристаллической CVD (химическое осаждение из газовой фазы) пленки и регистрирующая аппаратура высокого разрешения, в которую входит высокочастотный предусилитель, электронный модуль для преобразования и воспроизведения сигналов алмазного детектора, высокоскоростной АЦП. Алмазный детектор позволяет регистрировать смешанные потоки излучения: рентген, нейтроны, заряженные продукты термоядерных реакций и по временным задержкам анализировать динамику и пространственное распределение импульсных источников излучения. Это позволит измерить спектры продуктов термоядерных реакций, а именно: протоны, тритоны, Не³, Не⁴, 2,5 МэВ и 14 МэВ нейтроны, гамма-излучение на основании которых можно анализировать структуру термоядерного источника ЛТС. Алмазный детектор будет измерять пролетное время нейтронов и альфа-частиц, испускаемых мишенью. Время прихода на детектор несет информацию об энергии регистрируемых частиц, а разброс времен прихода позволит измерить их температуру.

Чувствительный элемент алмазного детектора (фиг.1) представляет собой алмазную монокристаллическую CVD пленку (фиг.1, поз 1) высокой чистоты толщиной около 20 мкм, выращенную на алмазной НРНТ подложке (фиг.1, поз.2) с содержанием бора не менее 100 ppm. На НРНТ подложку и CVD пленку были нанесены методом магнетронного напыления сплошные металлические контакты (фиг.1, поз.3, 4) толщиной не более 35 нм. Материалом контактов могут служить карбидообразующие металлы. В качестве чувствительного элемента может использоваться тонкая (не более 100 мкм) монокристаллическая алмазная пластина электронного качества с нанесенными сплошными металлическими контактами.

Корпус детектора представляет собой разборную конструкцию на коаксиальном разъеме, в которую монтируется электрод (фиг.2, поз.12), столик (фиг.2, поз.7), на который стороной подложки помещается чувствительный алмазный элемент (фиг.2, поз.13), фиксирующийся стопором (фиг.2, поз.6), имеющим отверстие диаметром не менее 1,5 мм. Прижим осуществляется накидной гайкой (фиг.2, поз.5). В качестве изоляторов используются детали из фторопласта (фиг.2, поз.8, 9, 11).

Конструкция детектора является разборной. Существенным преимуществом является простота изготовления корпуса детектора, быстрая сборка, которая в тоже время обеспечивает надежный электрический контакт. Данная конструкция позволяет быстро произвести замену чувствительного элемента в случае необходимости без замены деталей корпуса и демонтажа всей системы регистрации. Устройство алмазного детектора представлено на фиг.2, где 5 - гайка накидная, 6 - стопор, 7 - столик, 8 - гайка, 9 - втулка, 10 - корпус детектора, 11 - втулка, 12 - электрод, 13 - алмазный чувствительный элемент.

По сравнению с прототипом, заявляемая конструкция позволяет проводить прямые спектрометрические измерения нейтронов в диапазоне энергий от 2,5 до 15 МэВ, а также протонов, тритонов, Не³, Не⁴ и гамма-излучения.

Схема системы регистрации потоков корпускулярного излучения на основе алмазного детектора для времяпролетной спектрометрии лазерного термоядерного синтеза представлена на фиг.3, где 14 - алмазный детектор, 15 - высокочастотный предусилитель, 6 - электронный модуль для преобразования и воспроизведения сигналов алмазного детектора, 17 - высокоскоростной АЦП.

Изобретение относится к области измерений нейтронного, рентгеновского, корпускулярного, гамма-излучения. Система регистрации потоков корпускулярного излучения состоит из алмазного детектора, который подключается к регистрирующей аппаратуре высокого разрешения, в которую входит высокочастотный предусилитель, электронный модуль для преобразования и воспроизведения сигналов алмазного детектора, высокоскоростной АЦП. Алмазный детектор представляет собой коаксиальный корпус, в который помещен алмазный чувствительный элемент, представляющий собой тонкий алмазный монокристаллический слой высокой чистоты толщиной около 20 мкм, выращенный методом CVD на алмазной НРНТ подложке с содержанием бора не менее 100 ppm, и в котором на тыльную сторону алмазной подложки и на CVD алмазный слой нанесены металлические контакты. Технический результат – измерение спектров продуктов термоядерных реакций, а именно: протонов, тритонов, Не³, Не⁴, гамма-излучения, а также 2,5 и 14 МэВ нейтронов, повышение радиационной стойкости детектора, имеющего разборную конструкцию и небольшие размеры. 3 ил.

Система регистрации потоков корпускулярного излучения, состоящая из алмазного детектора и регистрирующей аппаратуры, включающей в себя высокочастотный предусилитель, электронный модуль для преобразования и воспроизведения сигналов алмазного детектора и высокоскоростной АЦП, где алмазный детектор имеет разборную конструкцию на коаксиальном разъеме, в которую монтируется электрод, контакт и столик, на который помещается чувствительный алмазный элемент, представляющий собой тонкий, толщиной около 20 мкм, монокристаллический алмазный слой высокой чистоты, выращенный методом CVD на алмазной НРНТ подложке с содержанием бора не менее 100 ppm, и нанесенными сплошными металлическими контактами как на сторону алмазного CVD слоя, так и на тыльную сторону подложки толщиной не более 35 нм.