ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ И ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РЕЗИСТИВНОЙ КАМЕРЫ Российский патент 2024 года по МПК G01T5/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам ядерных излучений, а именно записи, обработке и анализу траекторий тепловых нейтронов. Изобретение может быть использовано для решения задач исследований конденсированных сред, измерения профиля пучка при бор-захватной терапии, контроля перемещения делящихся веществ и т.д.

Уровень техники

Близким по технической сущности является аналог RESISTIVE PLATE CHAMBER (RPC) DETECTOR WITH B-10 FOR THERMAL NEUTRONS, авторы Петрова M.O. и др. [1] (IV International Scientific Forum "NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGIES" ABSTRACTS. Алматы: РГП ИЯФ, 2022, с. 102). Детектор, описанный в [1] является плоскопараллельной резистивной камерой (ППРК), которая обладает однозазорной архитектурой. Недостатком является то, что в архитектуре [1] предлагается заземление непосредственно в газовом промежутке, на карбид бора. Для формирования электрического поля в рабочем объеме непосредственно на карбид бора необходимо произвести монтаж металлической площадки, края металла будут сильно деформировать создаваемое электрическое поле в рабочем объеме детектора, следовательно приведут к росту вероятности стримерного разряда детектора. Помимо этого, в обсуждаемом аналоге присутствует материал-изолятор между печатной платой и полупроводящей эмалью. Так как печатные платы изготавливаются из диэлектрика стеклотекстолита, то данный слой, не выполняя полезных функций, является лишним, рассеивающим нейтроны, объемом.

Также близким по технической сущности является аналог, представленный в [2] Патент РФ №2788834, 24.01.2023, «Позиционно-чувствительный детектор медленных и быстрых нейтронов», авторы Поташев С.И. и др. Детектор, описанный в [2] является газовой проволочной камерой. Данный детектор обладает несколькими слоями конвертера, но в силу того, что анодами выступают наборы проволочек, то образуется радиальное поле. Т.к. электрическое поле является радиально спадающим, то напряженность электрического поля, достаточная для газового усиления первичной ионизации, находится вблизи проволочки, а значит до достижения этой области заряд медленно дрейфует к аноду. Длительности сигналов детекторов с радиально спадающим усиливающим полем составляют единицы-десятки микросекунд, что не обеспечит необходимую на источниках нейтронов нового поколения загрузочную способность, а также временное разрешение во времяпролетных экспериментах.

Наиболее близкий по технической сущности прототип представлен в статье [3] Boron-10 lined RPCs for sub-millimeter resolution thermal neutron detectors: Feasibility study in a thermal neutron beam / L.M.S. Margato and oth. Journal of Instrumentation 14(01): P01017-P01017 DOI: 10.1088/1748-0221/14/01/P01017. Устройство, описанное в [3], представляет собой однозазорную ППРК с широким газовым промежутком для регистрации тепловых и холодных нейтронов. В герметичном корпусе с электрическими и газовыми разъемами, размещены платы с Х-стрипами и Y-стрипами, катод из термополированного стекла с полупроводящей эмалью с внешней стороны, анод с нанесенным с внутренней стороны слоем карбида бора. Анод и катод разделены леской-спейсером и образуют рабочий газовый объем. Недостатком является то, что анод изготовлен из алюминия. Использование металлических электродов позволяет производить съем сигнала только с одной стороны относительно анода, что не дает возможность реализовать схему совпадений, так как данный детектор определяет только одну координату. В прототипе используется метод индивидуального съема сигнала. Индивидуальный съем сигнала реализуется на основе чипов типа ASIC, изготовленных из твердотельных полупроводников. Это является существенным недостатком т.к. в нейтронном пучке темновой ток полупроводника растет прямо пропорционально пройденному флюенсу. Амплитудный (энергетический) спектр продуктов реакции конвертации узкозазорных ППРК имеет форму распределения Ландау для узкого слоя. Разделение сигнал\шум проводится по амплитуде сигнала, из-за чего рост темнового тока будет снижать эффективность регистрации и повышать вероятность ложных срабатываний со временем.

Сущность изобретения

Технической задачей является создание двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора тепловых нейтронов, который обладал бы долговечностью работы в нейтронном пучке.

Технический результат

Техническим результатом является то, анод ППРК выполнен из термополированного стекла и на него с внешней стороны нанесена полупроводящая эмаль. Платы с Х-стрипами и Y-стрипами расположены с разных сторон относительно рабочего объема камеры. Стрипы на платах подключены на линии задержки, концы линий задержки соединены с электрическими разъемами коаксиальными кабелями, а внешние оплетки кабелей заземлены на герметичный корпус. Платы вместе с рабочим объемом ППРК соединены с герметичным корпусом пластиковыми винтами.

Пленки карбида бора нанесены на электроды из термополированного стекла, что позволяет производить съем сигнала с обеих сторон относительно рабочего объема. Съем сигнала с разных сторон относительно рабочего объема снижает вероятность одновременной наводки на оба набора стрипов, а реализация схемы совпадений практически сводит к нулю вероятность ложных срабатываний. Для определения координаты регистрации нейтрона стрипы подключены на линию задержки. Радиационная стойкость L (катушек индуктивности) и С (конденсаторов) компонент значительно выше, чем у полупроводников, поэтому использование линии задержки увеличивает время эксплуатации позиционно-чувствительного детектора в нейтронном пучке и обеспечивает меньшее, по сравнению с прототипом, количество каналов регистрации для регистрации двух координат. Крепление рабочего объема пластиковыми винтами к корпусу обеспечивает надежную фиксацию во время эксперимента и исключает влияние электродинамических эффектов, которые могли бы возникнуть при изготовлении фиксирующих винтов из металла. Концы линий задержки соединены с накорпусными электрическими разъемами коаксиальными кабелями, чьи оплетки заземлены на корпус, что также повышает надежность регистрации и снижает вероятность наводки на сигнальную жилу.

Описание фигур

Фиг. 1 - Архитектура прототипа

1 - Алюминиевый анод

2 - Слой карбида бора

3 - Леска-спейсер

4 - Газовый промежуток (рабочий объем)

5 - Термополированное стекло (катод)

6 - Полупроводящая эмаль

7 - Изолятор (майлар)

8 - Плата со стрипами X и Y

Фиг. 2 - Архитектура изобретения

2 - Слой карбида бора

3 - Леска-спейсер

4 - Газовый промежуток (рабочий объем)

5 - Термополированное стекло (катод)

6 - Полупроводящая эмаль

9 - Плата с Х-стрипами, подключенными на линию задержки

10 - Плата с Y-стрипами, подключенными на линию задержки

Фиг. 3 - Пример осуществления изобретения. Вид внутренних частей изобретения

9 - Плата с Х-стрипами, подключенными на линию задержки

3 - Леска-спейсер

10 - Плата с Y-стрипами, подключенными на линию задержки

11 - Пластиковые винты

12 - Медная полоска для подачи напряжения на краску

Фиг. 4 - Пример осуществления изобретения. Вид наружных частей изобретения

11 - Пластиковые винты

12 - Медная полоска для подачи напряжения на краску

18 - Разъем электрический

19 - Линия задержки для Х-стрипов

20 - Х-стрипы

21 - Лепесток заземления

22 - Корпус

23 - Разъем высоковольтный

24 - Газовый разъем

25 - Кабель коаксиальный

26 - Кабель формирующий

Фиг. 5 - Пример осуществления изобретения. Спектр энерговыделение продуктов реакции конвертации тепловых нейтронов для ¹⁰В-ППРК в тетрафторэтане при нормальных условиях, полученный методом Монте-Карло. По оси Y отложено количество событий, по оси X - высажденная в газовом промежутке энергия в МэВ.

Фиг. 6 - Пример осуществления изобретения. Квазиравномерная засветка ^{10 В}-ППРК нейтронным источником Cf-252, помещенным в пластиковый замедлитель. По оси Y отложена разность прихода сигналов на разные концы Y-линии задержки в не, по оси X отложена разность прихода сигналов на разные концы Х-линии задержки в не.

Фиг. 7 - Пример осуществления изобретения. Амплитудный спектр зарегистрированных сигналов. По оси Y отложено количество событий, по оси X - заряд сигнала в фК.

Фиг. 8 - Пример осуществления изобретения. Нормированные на максимум, амплитудные спектры измеренный (точки) и рассчитанный (черточки). По оси Y отложены условные единицы, по оси X - высажденная в газовом промежутке энергия в МэВ.

На фиг. 1 изображена архитектура наиболее близкого к изобретению прототипа. Она содержит алюминиевый анод (1), на который нанесен слой карбида бора (2), газовый промежуток (4) шириной 350 мкм, образованный леской-спейсером (3), термополированное стекло (5), на которое на внешнюю, относительно рабочего объема, сторону нанесена полупроводящая эмаль (6), печатная плата (8) отделена от полупроводящей эмали (6) изолятором (7).

На фиг. 2 изображена архитектура изобретения. Она содержит плату (9) с Х-стрипами, подключенными на линию задержки, термополированное стекло (5) с пленкой карбида бора (2) в рабочем объеме и полу проводящей эмалью (6) на другой стороне, газовый промежуток (4) шириной 249 мкм, образованный леской-спейсером (3), и плату с Y-стрипами, подключенными на линию задержки.

На фиг. 3 представлен пример осуществления изобретения, а именно внутренняя часть детектора. Пластиковые винты (16) располагаются в отверстиях платы (9), на них намотана монофиламентная леска спейсер (3). После намотки спейсера ответная плата (10) закрепляется относительно платы (9) на пластиковых винтах (11).

На фиг. 4 представлен пример осуществления изобретения. Детектор вмотирован в корпус (22) и закреплен пластиковыми винтами (11). Напряжение в газовый промежуток подается с высоковольного разъема (23) на медную полоску (12) по формирующему кабелю (26). Движение заряда в газовом промежутке индуцирует сигнал на считывающие X и Y стрипы (20), распространяется по линии задержки (19) и доставляется на сигнальные разъемы (18) коаксиальными кабелями (25), чьи оплетки заканчиваются заземлением (21) на корпус. Детектор продувается тетрафторэтаном через газовые разъемы (24).

На фиг. 5 представлен спектр энерговыделения продуктов реакции конвертации тепловых нейтронов ядрами ¹⁰В, вышедших из пленки карбида бора толщиной 2 мкм, полученный методом Монте-Карло, в промежутке шириной 249 мкм, заполненный тетрафторэтаном при нормальных условиях.

На фиг. 6 представлен пример осуществления изобретения, а именно результаты измерения квазиравномерной засветка детектора нейтронным источником. Измерения проводились с источником закрытого типа Cf-252 (активность 1,02⋅10⁷ н⋅с^-1 на 19.05.2011), который помещался в полиэтиленовый сферический замедлитель с радиусом 15 см, в течение 64 часов. Для регистрации координаты взаимодействия нейтрона с пленкой-конвертером детектора реализован метод линии задержки. Общая величина линии задержки составила 235 не (150 мм) для Y-координаты и 118 не (75 мм) для Х-координаты, позиция определяется по разности времени прихода сигналов на оба конца линии задержки относительно анода.

На фиг. 7 представлен пример осуществления изобретения, а именно амплитудный спектр зарегистрированных событий.

На фиг. 8 представлен пример осуществления изобретения, а именно сравнения рассчитанного и измеренного спектром. Измеренный спектр нормирован на максимум спектра рассчитанного.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собой позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе твердотельного конвертера. В данный момент в Лаборатории нейтронной физики разрабатывается проект нового реактора, который будет обладать плотностями потоков нейтронов, превосходящими существующий источник (ИБР-2) более чем на порядок. В настоящее время на отечественных станциях нейтронного рассеяния наиболее распространенными позиционно-чувствительными детекторами являются газовые многопроволочные детекторы с конвертером из газа ³Не и сцинтилляционные на основе порошка ⁶Li. Длительность формируемого сигнала в силу особенностей работы таких детекторов составляет от единиц до нескольких десятков микросекунд из-за чего временное разрешение таких детекторов не хуже микросекунды, а загрузочная способность ограничена долями МГц/см². Большая часть нейтронографических станций использует TOF-методику для изучения параметров образца, из-за чего улучшение временного разрешения детектора увеличит точность получаемой структурной информации. Увеличение плотности потока тепловых или холодных нейтронов на образце на порядок и более приведут к превышению загрузочной способности используемых гелиевых или сцинтилляционных позиционно-чувствительных детекторов. В связи с этим было принято решение о поиске такого типа детектора, который бы обладал большей загрузочной способностью и лучшим временным разрешением.

Одним из перспективных типов детекторов, появившихся в 80-ых годах прошлого столетия, являются плоскопараллельные резистивные камеры (ППРК). Они нашли широкое применение в физике высоких энергий благодаря своим рабочим характеристикам и возможности создания детекторов большой площади (>100 м²). Современные методы создания тонких пленок позволяют наносить тонкие слои конвертера на поверхности электродов и применять ППРК для регистрации нейтронов. Длительность сигнала ППРК составляет десятки наносекунд, а временное разрешение на уровне десятков-сотен пикосекунд, что позволит использовать детектор тепловых нейтронов на основе ППРК на нейтронных источниках нового поколения с плотностями потоков тепловых и холодных нейтронов, превышающими существующие значения потоков на эксплуатируемых источниках на порядок и более, а также повысит качество получаемой структурной информации.

Данное изобретение - не первая ППРК, используемая как ПЧД тепловых нейтронов, однако существенным отличием является нанесение слоя карбида бора на стекло, которое дает возможность индуцировать сигнал сквозь него на считывающие стрипы. В отличие от наиболее близкого прототипа [3], в котором слой карбид бора (2) нанесен на алюминиевый анод (1), а считывающая плата с X и Y стрипами (8) расположена с противоположной стороны, относительно газового промежутка (4).

Рассмотрим пример исполнения изобретения. Для исключения перемещения чувствительного объема (2-10) внутри корпуса (22) платы и образующие рабочий газовый объем анод и катод соединены с корпусом пластиковыми винтами (11). Помимо этого, на пластиковые винты (11) наматывается леска-спейсер (3) для фиксации ширины газового промежутка. Как было показано выше, в изобретении на одном стекле (анод) нанесены полу проводящая эмаль (6) и слой карбида бора, обогащенный по изотопу ¹⁰В >95% для повышения эффективности конвертации тепловых нейтронов, (2) одновременно, на другом стекле (катод) нанесена только эмаль (6), а считывающие платы с X и Y стрипами (9, 10), подключенными на соответствующие линии задержки, располагаются с разных сторон относительно газового промежутка (4). К полупроводящей эмали (6), приклеена на эту же эмаль медная полоска (12). Медная полоска (12) идет до конца печатных плат (9, 10) и, загибаясь, выходит на их внешнюю, относительно газового промежутка, поверхность, как это изображено на фиг. 3 и фиг.4. На внешней, относительно газового промежутка, стороне печатной платы к медной полоске (12) припаивается кабель формирующий (26). В данном случае этот кабель - термостойкий кабель МГТФ 0,35. Далее формирующий кабель (26) запаивается либо на высоковольтный разъем (23), либо на лепесток заземления (21). Таким образом, при подаче высокого напряжения с источника питания, один слой полупроводящей эмали (6) оказывается заземлен на корпус, а другой находится под потенциалом, что создает в газовом промежутке (4) равномерное электрическое поле.

При попадании нейтрона в детектор он может быть поглощен ядром ¹⁰В с образованием возбужденного ядра ¹¹В*, которое испытывает распад, протекающий по двум каналам:

¹⁰В+n->α(1,47 МэВ)+⁷Li(0,84 МэВ)+γ(0,48 МэВ) (93,7%),

¹⁰В+n->α(1,78 МэВ)+⁷Li(1,01 МэВ), (6,3%), σ_а(E_n=0,025)=3837 b;

После выхода одного из продуктов реакции конвертации (α или ⁷Li) в газовый промежуток (4), он начнет ионизировать рабочий газ. Первая электронно-ионная пара первичной ионизации будет рождена непосредственно у поверхности слоя карбида бора (2). Электрон и ион под действием электрического поля начнут двигаться в направлении соответствующих электродов и ускоряться. Обычно ППРК работают в таком режиме, что ускорения электрическим полем будет достаточно для вторичной ионизации и развитие лавины. Движение лавины индуцирует сигнал на считывающие платы с X и Y стрипами (9, 10), подключенными на соответствующие линии задержки. Сигнал, рожденный в стрипе, будет распространяться в обе стороны линии задержки, после чего с обеих концов линии задержки сигнал будет доставлен на электрические разъемы (18) СР-50 коаксиальными кабелями (25). Оплетки коаксиальных кабелей (25) заземляются на корпус с помощью лепестков (21), чем обеспечивают экранирование сигнальной жилы коаксиального кабеля (25) от побочных наводок. Линия задержки - это набор L и С компонент (катушек и конденсаторов). Если стрип удален от левого конца линии задержки А набором LC-компонент, а общее количество LC-компонент N, то на пути распространения вправо сигнал пройдет B=N-A наборов LC-компонент. Тогда при распространении сигнала влево он будет задержан на , а при распространении вправо на По разнице прихода сигнала Δt=t_a-t_b на правый и левый концы линии задержки определяется сработавший стрип. В представленном изобретении LC-компоненты образуют линии задержки длительностью 118 не для X, что соответствует 75 мм, и 235 не для Y, что соответствует 150 мм. Всего получается 5 каналов считывания сигнала: 1 - триггерный с анода и 4 на линии задержки, по 2 на каждую координату. Метод съема сигнала с линии задержки реализован для уменьшения количества каналов регистрации при сохранении высокого пространственного разрешения. Помимо уменьшения числа каналов регистрации преимуществом использования линии задержки перед индивидуальным съемом является то, что L и С компоненты значительно меньше деградируют в нейтронном пучке по сравнению с полупроводниковыми кристаллами. Для повышения надежности работы детектора реализован метод схемы совпадения относительно анода. С цепи питания через высоковольтный RC-фильтр снимается триггерный сигнал, так как движение лавины индуцирует сигнал и на полупроводящую эмаль (6). Относительно триггерного сигнала с анода регистрируются 4 сигнала - по два с каждой линии задержки. При срабатывании только одной линии задержки сигнал не записывается как событие, при срабатывании только одного конца линии задержки сигнал не записывается как событие. Результаты измерений с лабораторным источником представлены на фиг. 6-8.

На фиг. 6 изображен результат измерений квазиравномерной засветки от источника Cf-252, помещенного в пластиковый замедлитель. Для измерений также использовались: источник напряжения 12 В для питания предусилителей; источник высокого напряжения фирмы CAEN; высоковольный фильтр; 5 предусилителей - 4 с К=1200 и 1 анодный с К=800; диджитайзер CAEN, ПК с ПО Compass для набора данных; баллон тетрафторэтана с редуктором и ротаметром.

На фиг. 7 представлен амплитудный спектр, зарегистрированных сигналов. Измеренный спектр обладает формой, близкой к распределению Ландау, соответствующему энергетическим потерям в тонком слое вещества.

На фиг. 8 представлены спектры измеренный и рассчитанный. Измеренный спектр был получен в фК, а затем отнормирован на максимум спектра, полученного методом Монте-Карло в МэВ. Представленные зависимости имеют хорошие совпадения, однако в измеренном спектре наблюдается большее количество событий в области меньших энергий.

Из представленных результатов видно, что техническая задача была решена, а именно был создан позиционно-чувствительный детектор на основе плоскопараллельной резистивной камеры, в котором для определения координаты реализован метод линии задержки, что обеспечивает долговечность работы такого детектора в нейтронном пучке.

Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам ядерных излучений. Анод позиционно-чувствительного детектора тепловых и холодных нейтронов на основе плоскопараллельной резистивной камеры выполнен из термополированного стекла и на него с внешней стороны нанесена полупроводящая эмаль, плата с Х-стрипами и плата Y-стрипами расположены с разных сторон относительно рабочего объема, стрипы на платах подключены на линии задержки; концы линий задержки соединены с электрическими разъемами коаксиальными кабелями, внешние оплетки кабелей заземлены на корпус; платы и образующие рабочий газовый объем анод и катод соединены с герметичным корпусом пластиковыми винтами. Технический результат – повышение долговечности работы устройства в нейтронном пучке. 8 ил.

Позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе плоскопараллельной резистивной камеры, включающий герметичный корпус с электрическими, высоковольными и газовыми разъемами, в котором размещены: плата со стрипами, катод из термополированного стекла с полупроводящей эмалью с внешней стороны, анод с нанесенным с внутренней стороны слоем карбида бора; анод и катод разделены леской-спейсером и образуют рабочий газовый объем, отличающийся тем, что анод выполнен из термополированного стекла и на него с внешней стороны нанесена полупроводящая эмаль, плата с Х-стрипами и плата Y-стрипами расположены с разных сторон относительно рабочего объема, стрипы на платах подключены на линии задержки; концы линий задержки соединены с электрическими разъемами коаксиальными кабелями, внешние оплетки кабелей заземлены на корпус; платы и образующие рабочий газовый объем анод и катод соединены с герметичным корпусом пластиковыми винтами.