Позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца Российский патент 2024 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области регистрации и измерению потока ядерных излучений, а именно к регистрации потока тепловых и холодных нейтронов, рассеянных на компактном образце, с использованием газового детектора нейтронов с конвертером из тонкого твердотельного слоя на основе изотопа бора ¹⁰B. Изобретение предназначено для измерения величины плотности потока нейтронов в зависимости от угла рассеяния и может применяться для широкого спектра приборов, используемых при изучении природы рассеяния тепловых и холодных нейтронов в различных веществах, а также для других прикладных и фундаментальных исследованиях нейтронного рассеивания, где требуется охватить широкий угол рассеивания нейтронов от изучаемых компактных образцов, характерные размеры которых много меньше расстояний от образца до детектора.

Изобретение относится к классу детекторов тепловых и холодных нейтронов, представляющих собой газовые многопроволочные пропорциональные камеры, состоящие из электродов (анода и катода), размещенных в герметичном корпусе, заполненных газовой смесью. Как правило, в таких детекторах в качестве анода применяются тонкие проволочки, размещенные в ряд с определенным шагом в одной плоскости, а катодами являются размещаемые на определенном расстоянии по обе стороны от плоскости анода токопроводящие электроды на плоской подложке. В качестве вещества конвертера нейтронов (преобразователя нейтронов в заряженные частицы, регистрируемые в газовой камере) выступает либо заполняющий камеру рабочий газ, содержащий газ из изотопа гелий-3 (³Не) или газообразное соединение, содержащее изотоп бор-10 (¹⁰B), либо тонкий слой твердотельного материала, содержащего изотоп бор-10 (¹⁰B), нанесенного на поверхность катода. Для определения координаты места события захвата (конвертации) нейтрона используются анодные проволочки и токопроводящие параллельные полоски - стрипы (strips - полоски). Для этого на одном из катодов формируют стрипы, или слой твердотельного конвертера формируют в виде стрипов. Анодные проволочки и стрипы устанавливают перпендикулярно друг другу и ориентируют перпендикулярно оси излучения пучка нейтронов. По этому принципу изготавливаются позиционно-чувствительные газовые детекторы.

Из-за дефицита ³Не, связанного с его искусственным происхождением, многие ведущие научные центры проводят интенсивные разработки новых детекторов на основе доступного на земле конвертера ¹⁰В из твердотельного карбида бора, обогащенного по изотопу ¹⁰B, - ¹⁰B₄C. Продуктами реакции захвата нейтрона являются частицы ⁴Не и ⁷Li, разлетающиеся практически в противоположные стороны. Имеется особенность применения твердотельного покрытия катода карбидом бора. Чем толще слой покрытия, содержащего конвертер, тем большее количество нейтронов с ним провзаимодействует. При этом, частицы ⁴Не и ⁷Li, образующиеся глубоко в толщине конвертера, могут, испытав большие потери, выйти из слоя с энергиями, близкими к порогу регистрации, либо поглотится материалом конвертора. Длина пробега частицы ⁴Не в материале конвертера ¹⁰B₄C составляет примерно 3,4 мкм, a ⁷Li - 1,7 мкм - (С. и др. "В4С thin films for neutron detection," Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012) [1]. Оптимальная толщина одного слоя, обеспечивающая максимальную эффективность регистрации, для длины волны находится в пределах 2,5 мкм. В этом случае эффективность слоя для тепловых нейтронов достигает не более 5-8%, в то время, как эффективность детекторов, построенных на конвертере ³Не может достигать 60-95%. Одним из решений повышения эффективности применяется наклон слоя с конвертером относительно направления движения нейтронов так, чтобы плоскость слоя конвертора находилась под малым углом а к направлению падения нейтронов. За счет наклона увеличивается длина пути нейтронов в приповерхностном слое конвертора, что приводит к увеличению количества взаимодействия нейтронов ядрами ¹⁰B на небольшой глубине слоя конвертера, а значит, к большему выходу частиц распада из слоя конвертера и большей эффективности регистрации, в сравнении с перпендикулярным падением нейтронов.

Эффективная длина пробега нейтронов в конверторе (эффективная толщина) d_эф определяется по формуле d_эф=d/sinα, где d - физическая толщина конвертора. Для угла α=6°, 5° и 2° эффективная толщина d_эф становится больше физической толщины d в 9,57, 11,47 и 28,65 раз соответственно.

Нейтронные исследования вещества, находящегося в плотном или как принято говорить - конденсированном состоянии, регистрируют поле тепловых или холодных нейтронов, рассеянных после взаимодействия с исследуемым образцом. Для этого на образец направляют нейтроны, сформированные в виде пучка высокой плотности. Нейтроны рассеиваются на ядрах образца, неся информацию о его структуре. Нейтроны после взаимодействия с образцом образуют расходящийся поток. Поэтому для получения более полной информации необходимо охватить как можно больший телесный угол рассеивания.

Среди детекторов, построенных на принципе наклонной геометрии конвертирующего слоя с карбидом бора, рассчитанного для регистрации расходящегося потока нейтронов, можно выделить двухкоординатньш позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов по полезной модели Российской Федерации №174185 U1 от 06.10.2017 г [2]. Детектор состоит из входного окна, размещаемого перпендикулярно падающему потоку нейтронов, герметичного корпуса, заполненного смесью рабочих газов 80%Ar+20%СО₂ при атмосферном давлении на продув, систем электродов (катод и анод), составляющих два детектирующих слоя, размещенных друг за другом. Каждый детектирующий слой состоит из одинаковых ячеек пропорциональных газовых камер, размещенных в ряд с определенным шагом. Ячейки газовых камер представляют собой анод в виде установленных в ряд, образуя анодную плоскость, тонких вольфрамовых проволочек, направленных параллельно входному окну детектора. Анодная плоскость размещена посередине между катодами, которыми служат параллельно расположенные пластинки из алюминия с нанесенным на их поверхность конвертером в виде тонкой пленки карбида бора ¹⁰B₄C, обогащенного изотопом ¹⁰B. Пластинки с конвертером, нанесенным с двух сторон сплошной пленкой, чередуются с пластинками с конвертером, нанесенным с двух сторон на предварительно пассированную (для получения электроизоляционного слоя) поверхность в виде стрипов, направленных перпендикулярно направлению анодных проволочек. Пластинки первого детектирующего слоя ячеек наклонены под малым углом α (в примере α=6°) относительно нормали к входному окну детектора. Пластинки второго детектирующего слоя повернуты на угол -α, противоположный первому слою так, что образуется шевронная структура. Такая конструкция позволяет регистрировать расходящийся поток нейтронов за счет обеспечения одинаковых условий по всей площади входного окна для прохождения детектирующих слоев расходящимся потоком нейтронов, падающим с углом расходимости потока ϕ, меньшим, чем угол наклона α.

Недостатком детектора является низкая эффективность регистрации нейтронов. Во-первых, в конструкцию детектора заложен принцип прохождения нейтронов сквозь пластины из алюминия (четыре пластины) с нанесенными на них с обеих сторон слоев конвертера ¹⁰B₄C. Несмотря на то, что алюминий является материалом малых потерь проходящих через него нейтронов за счет рассеивания, но размещение пластин под малым углом α=6° увеличивает его эффективную толщину в 9,6 раз и усиливает рассеивание нейтронов. В описанном примере толщина каждой из четырех пластинок 0,5 мм. Общая эффективная толщина алюминия на пути нейтронов увеличивается до более, чем 19 мм. Для повышения эффективности регистрации нейтронов необходимо уменьшать угол а, но при этом эффективная толщина алюминиевой подложки стремительно увеличивается, что аналогично увеличивает потерю нейтронов за счет рассеивания. При этом часть рассеянных нейтронов регистрируется детектором, искажая истинное распределение рассеянной интенсивности нейтронного потока в пространстве. Во-вторых, часть падающего потока нейтронов входит в торец катодной пластины и рассеивается прежде, чем попасть в конвертерный слой, что можно рассматривать как экранирование. При шаге между ячейками 5 мм экранирующий эффект составляет 0,5/5=0,1 или 10% для каждого детектирующего слоя.

Наиболее близким к настоящему изобретению решением, взятым за прототип, является детектор по патенту Российской Федерации №2797497С1 от 06.06.2023 г. [3].

Детектор-прототип тепловых и холодных нейтронов, построенный на принципе падения потока нейтронов под малым углом а на конвертирующий слой из карбида бора, обогащенного изотопом ¹⁰B, представляет собой объединенные в единый герметичный корпус, заполненный рабочим газом при атмосферном давлении на продув, параллельно стоящие одинаковые многопроволочные пропорциональные камеры, заключенные между плоскими параллельно стоящими подложками. Подложки размещены с определенным шагом, задающим ширину камеры. На одной стороне подложки сформирован катод, содержащий слой карбида бора, обогащенного изотопом ¹⁰B. На второй стороне подложки сформирована стриповая система, представляющая собой электрически изолированные от катода и подложки токопроводящие полоски одинаковой ширины, установленные в ряд с определенным шагом и ориентированные в направлении, составляющем малый угол α с нормалью к плоскости входного угла детектора (далее нормаль). Между подложками в каждой камере перпендикулярно нормали установлены тонкие анодные проволочки, расположенные с определенным шагом в ряд. В качестве подложки используют алюминиевую фольгу или полимерную пленку из радиационно-стойкого материала, которая прикреплена с двух противоположных сторон к держателям подложек таким образом, что представляет собой плоскость. Концы анодных проволочек прикреплены к аналогичным анодным держателям. Между анодными держателями и держателями подложек установлены дистанционные вставки, задающие ширину камер, а также верхние и нижние вставки, подобные клину. Верхние клиновидные вставки установлены над верхней камерой, а нижние клиновидные вставки установлены между основанием и нижней камерой. Клиновидные вставки задают угол а наклона камер от 1° до 5°; анодные держатели, держатели подложек, дистанционные и клиновидные вставки связаны с крепежными элементами. Крепежные элементы выполнены с возможностью регулирования натяжения подложек и анодных проволочек.

Слой конвертера из карбида бора подобран такой толщины, чтобы падающие на него нейтроны полностью в нем поглощались. В этом заключается основное отличие конструкции прототипа от описанного выше аналога. Такой принцип конструкции исключает регистрацию нейтронов, перерассеянных на элементах конструкции детектора Применение в качестве подложки фольги уменьшает эффект экранирования нейтронов торцом подложки. В прототипе при уменьшении угла α падения нейтронов на катод до 2° достижимая эффективность регистрации нейтронов достигает 67% на дине волны (Колесников А.Г., Залиханов Б.Ж., Боднарчук В.И., Курилкин А.К., Горбунов Н.В. Детектор нейтронов "Multi-foil", основанный на тонкослойных покрытиях ¹⁰B // Инновационные научные исследования. 2023. №4-1(28). С. 65-85. URL: https://ip-iournal.ru/) [4].

В нейтронных научных центрах, как правило, исследуемый образец размещают на пути пучка медленных нейтронов и регистрируют нейтроны, рассеянные на образце в телесный угол 4π. Для получения максимальной информации необходимо охватить как можно больший телесный угол расходящегося от образца потока нейтронов. В случае применения одного детектора с небольшим плоским входным окном охват большого телесного угла достигают с помощью измерений с последовательным перемещением детектора. Либо размещением плотно друг к другу одинаковых детекторов в круг на одинаковом расстоянии от исследуемого образца. При этом размеры образца по сравнению с расстоянием до детектора таково, что образец можно представить точечным, называемым в дальнейшем компактным исследуемым образцом. В этом случае регистрацию нейтронов, рассеянных на исследуемом образце, можно интерпретировать, как регистрацию излучения нейтронов, расходящихся из одной точки. Угол ϕ расходящегося потока излучения нейтронов от компактного образца, попадающего в детектор, имеющий входное окно 200×200 мм и размещенный на расстоянии 2, 5 и 20 метров, составляет ≥5,7°, ≥2° и ≥0,5°, соответственно. В работе [4] проведено моделирование конструкции детектора по патенту [3] с использованием программного пакета Geant4, реализующего метод Монте-Карло, и показано, что уменьшение угла а падения нейтронов на конвертер от 5° до 2° увеличивает эффективность регистрации нейтронов на дине волны с 42% до 67%, или в 1,6 раза и далее от 2° до 1° - с 67% до 82%, или еще в 1,2 раза. Столь высокая и нелинейная зависимость эффективности от угла а падения нейтронов, усиливающаяся с уменьшением угла а, при размещении детектора-прототипа с входным окном 200x200 на расстоянии от 2 до 5 метров от компактного образца, приводит к неодинаковому углу падения нейтронов на конвертер каждой камеры детектора-прототипа, который увеличивается от α до α+ϕ вдоль входного окна детектора, что в свою очередь приводит к неодинаковой эффективности регистрации нейтронов детектора, уменьшающейся вдоль входного окна. Для уменьшения влияния угла ϕ на эффективность необходимо увеличивать угол падения α, что приводит к уменьшению максимальной эффективности. При размещении детектора-прототипа на расстоянии 20 метров угол α падения нейтронов на конвертер каждой камеры увеличивается вдоль входного окна на 0,5°, что заметно уменьшает эффективность при расчетном угле падения q=2°, и составляет от 67% до 57% вдоль входного окна. Увеличение угла α до значения больше 5° снижает влияние угла ϕ на эффективность, но приводит к понижению предельно достижимой эффективности детектора, составляющей от 42% до 40% вдоль входного окна.

Недостатком детектора-прототипа является уменьшение эффективности регистрации расходящегося от компактного исследуемого образца потока рассеянных тепловых и холодных нейтронов, величина которой уменьшается при уменьшении расстояния от образца до детектора.

Технической задачей изобретения является получение высокой эффективности регистрации расходящегося от компактного исследуемого образца потока рассеянных тепловых и холодных нейтронов.

Технический результат достигается за счет того, что дистанционные вставки имеют клиновидную форму и расположены так, что подложки наклонены по отношению друг к другу на угол β, равный углу расходящегося потока нейтронов от компактного исследуемого образца (далее образец), попадающего в каждую камеру (далее входящий в камеру поток), определяемому по формуле:

где

2h - ширина камер со стороны входящего в камеру потока;

R - расстояние от образца до середины первой анодной проволочки, определяемой со стороны входящего в камеру потока. При этом сам детектор приобретает веерную конструкцию и размещается так, что нейтроны падают на поверхность катода на входе в каждую камеру под одинаковым малым углом α, задаваемым от 1 до 5 градусов. Как вариант исполнения, каждая анодная плоскость разделяет содержащую ее камеру на равные части, кроме того, дополнительно между крепежными элементами и анодными держателями, а также между крепежными элементами и держателями подложек установлены пружинные элементы.

Предложенная совокупность признаков обеспечивает технический эффект за счет формирования клиновидной формы камер и сборки из них веерной конструкции детектора. Такая конструкция детектора регистрирует весь расходящийся от образца поток нейтронов при одинаковых условиях для всех камер. При этом образец находится на заданном фиксированном расстоянии R. Высокая эффективность обеспечивается тем, что на входе во все камеры нейтроны падают на поверхность катода под одинаковым малым углом а от 1° до 5° и тем, что применяются тонкие подложки из металлической фольги или полимерных пленок, стабильность натяжения которых выполняют пружинные элементы. Высокая плоскостность, сохраняющаяся при подаче высокого напряжения между катодом и анодными проволочками, создает возможность уменьшения ширины газовой камеры и шага (расстояния) между анодными проволочками, что приводит к увеличению скорости счета и улучшению пространственного и временного разрешения детектора тепловых и холодных нейтронов. Описание фигур.

Фиг. 1. Детектор нейтронов (корпус не показан)

1 - подложка;

2 - катод;

4 - анодные проволочки;

5 - держатель подложки;

6 - панелька ламелей стрипов;

7 - ламели стрипов;

8 - дистанционная вставка;

9 - пружинные элементы;

11 - анодный держатель;

12 - анодная панелька;

13 - анодные ламели;

14 - стяжка (крепежные элементы);

15 - стойка (крепежные элементы);

16 - натяжитель пружинных элементов;

17 - основание детектора;

18 - компактный исследуемый образец (или образец);

19 - поток нейтронов, испускаемых образцом 18;

ϕ - угол расходимости падающего в детектор потока нейтронов от образца 18.

Фиг. 2. Устройство катода, сформированного на подложке.

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

5 - держатель подложки;

6 - панелька ламелей стрипов;

7 - ламели стрипов;

8 - дистанционная вставка;

9 - пружинные элементы;

10 - крепежные отверстия.

Фиг. 3. Устройство стриповой системы, сформированной на подложке.

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

5 - держатель подложки;

6 - панелька ламелей стрипов;

7 - ламели стрипов;

8 - дистанционная вставка;

9 - пружинные элементы;

10 - крепежные отверстия.

Фиг. 4. Устройство анода.

4 - анодные проволочки;

8 - дистанционная вставка;

9 - пружинные элементы;

10 - крепежные отверстия

11 - анодный держатель;

12 - анодная панелька;

13 - анодные ламели.

Фиг. 5. Схема детектора в сечении.

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

4 - анодные проволочки;

n - направление движения нейтронов;

2h - ширина камер;

L - длина катода;

b - размер чувствительной области катода;

β - угол наклона подложек друг относительно друга в каждой камере;

ϕ - угол расходимости падающего в детектор потока нейтронов от образца;

α - угол падения нейтронов на поверхность катода на входе в камеры (максимальный угол падения потока нейтронов на поверхность катода);

α-β - угол падения нейтронов на поверхность катода в месте, максимально удаленном от образца (минимальный угол падения нейтронов на поверхность катода).

Фиг. 6. Схема сечения одной из камер, поясняющая работу детектора. Центральная область вырезана. Стрелки справа - электрические сигналы, снимаемые с анодных проволочек 4 и со стрипов 3.

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

4 - анодные проволочки

n - направление движения нейтронов;

α - угол падения нейтронов на поверхность катода на входе в камеры (максимальный угол падения потока нейтронов на поверхность катода);

β - угол наклона подложек друг относительно друга в каждой камере;

α-β - угол падения нейтронов на поверхность катода в месте, максимально удаленном от образца (минимальный угол падения нейтронов на поверхность катода);

- угол наклона подложки относительно анодной плоскости, делящей камеру, образованную подложками, пополам;

d - физическая толщина катода из слоя ¹⁰B₄C;

d_эф - эффективная длина пути нейтронов в слое ¹⁰B₄C;

d₁ - глубина места захвата нейтрона в слое ¹⁰B₄C;

h - расстояние анодные проволочки - катод и анодные проволочки - стрипы;

h+Δh - максимальная величина расстояния анодные проволочки - катод и анодные проволочки - стрипы, увеличенная вследствие того, что подложки развернуты;

s - расстояние между анодными проволочками;

Li - окружность радиуса, равного длине пробега частицы ⁷Li;

Не - окружность радиуса, равная длине пробега частицы ⁴Не.

В предлагаемой конструкции детектора, изображенной на схеме фиг. 5, из-за размещения подложек под малым углом β относительно друг друга, ширина каждой камеры линейно увеличивается в направлении движения потока нейтронов, то есть происходит линейное увеличение расстояния анодные проволочки - катод и анодные проволочки - стрипы от h до h+Δh. Это приводит к ослаблению напряженности поля по длине камеры, уменьшающим газовое усиление в камере, что вносит погрешность в регистрации нейтронов. Оценку этого влияния поясняет рисунок фиг. 5 и рисунок фиг. 6. Область регистрации расходящегося потока определяется размером b чувствительной зоны детектора. Падающий поток нейтронов имеет угол расхождения ϕ, определяемый выражением Например, для чувствительной области 200×200 мм² при расстоянии R до образца, равным 2 м, 5 м и 15 м угол у составляет 5.7°, 2.3° и 0.8°, соответственно. При ширине камер 2h=4 мм в каждую камеру будут входить нейтроны с углом расходимости 0.11°, 0.05° и 0.016°, соответственно, которые равны углу β наклона подложек. При этом угол падения нейтронов на катод вдоль его длины L уменьшается от угла α до угла α-β. Для детектора, установленного на расстоянии до образца R=2 м при угле α=2° минимальный угол составляет α-β=1.89°, который влияет на эффективность регистрации, увеличивая ее с 67% до 68,5% [4], то есть дает максимальный прирост эффективности не более 2,2%. Длина катода составляет Для такой длины наклон подложек на угол β=0.11° приводит к увеличению ширины камеры на 2Δh=L sin β=0.2 мм. Разброс расстояния анод-катод от среднего значения составляет около 5%, то есть Изменение расстояния анод-катод линейно изменяет газовое усиление. Таким образом, при расстоянии R=2 м до образца дополнительная погрешность измерений составляет ±5%. При дальнейшем увеличении расстояния R до образца дополнительная погрешность стремительно убывает и учитывать ее не нужно. При расстоянии до образца R≤2 м желательно учитывать влияние геометрии камеры, особенно при по канальной регистрации с анодных проволочек. Так как изменение эффективности в первом приближении можно считать линейным, то применим коэффициент, получаемый при калибровке, что позволяет достаточно просто учитывать влияние наклона подложек.

Конструкция катода поясняется рисунком фиг. 2. В качестве подложки 1 применяют либо металлическую, например, алюминиевую фольгу толщиной от 14 до 50 мкм, либо полимерную пленку толщиной от 10 до 30 мкм из радиационно-стойкого материала, например полиимида или лавсана. При подаче на катод высокого напряжения (до 4000 В) на подложку 1 воздействуют электростатические силы взаимного притяжения подложки 1 и анодных проволочек 4. Для исключения прогиба подложки 1, ее натягивают в плоскость с большим усилием. Это натяжение обеспечивают держатели 5 подложки, к которым прикрепляют противоположные стороны подложки 1. Как один из вариантов, в качестве держателей 5 подложки взята пластина из нержавеющей стали толщиной 2 мм, имеющая на торцах отверстия 10 для крепления стяжки 14, предназначенной для стяжки составных частей детектора в единую сборку. Для исключения пробоя высокого напряжения, подаваемого на катод, пластину держателей 5 подложки покрывают слоем электроизолирующего материала, например, обклеивают полиимидной или лавсановой пленкой толщиной 400 мкм. Для получения катодов, одинаковых по ширине, применяют оправку, в которой к пластинам держателей 5 подложки, размещаемым на одинаковом фиксированном расстоянии, приклеивают натянутую с одинаковым усилием подложку 1. Для этого применяют вспомогательную рамку большую, чем требуемый размер подложки, на которую с определенным усилием натягивают подложку 1 с заранее сформированными на ней катодом 2 и стрипами 3. Функцию катода 2 выполняет слой карбида бора ¹⁰B₄C, который наносят на одну сторону подложки 1 с помощью вакуумного плазменного распыления мишени магнетрона из карбида бора В₄С, обогащенного по изотопу ¹⁰B до величины не менее 95%. Толщина d слоя карбида бора ¹⁰B₄C зависит от выбранного при проектировании угла α падения нейтронов на слой конвертера. Например, для α=2° используется толщина d=3,5 мкм. Толщина выбирается в соответствии с выражением d_эф=d/sinα. Эффективная длина d_эф пути нейтронов в слое ¹⁰B₄C увеличивается по сравнению с физической толщиной d в 28,65 раз и становится d_эф=100,3 мкм. Расчеты, выполненные в работе [4] показали, что для толщины d=3,5 мкм через подложку (для α=2°) пройдет не более 10% нейтронов с длиной волны и менее 1% нейтронов с длиной волны 2 . В случае применения подложек из полимерных пленок, слой карбида бора наносится на полимерную подложку. Стриповая система сформирована на обратной стороне подложки 1. Стрипы 3 из тонкого слоя алюминия получают, например, методом распыления алюминия в вакууме через маску на подложку 1 из алюминиевой фольги, предварительно покрытую слоем диэлектрика, необходимого для электрической изоляции стрипов 3 от алюминиевой подложки 1. В качестве диэлектрика применяют, например, оксид алюминия Al₂O₃, который получают пассивированием подложки перед нанесением карбида бора ¹⁰B₄C. Толщина слоя алюминиевых стрипов 3 должна быть достаточной для создания токопроводящих проводников и составляет, например, около 70-100 нм. Ширина стрипов 4 мм, зазор между стрипами 0,2-0,5 мм. В случае применения в качестве подложки 1 полимерных пленок, стрипы 3 наносят без изолирующего слоя, прямо на подложку. Гибкая панелька 6 с ламелями 7 стрипов размещают со стороны, противоположной исследуемому образцу. Гибкую панельку 6 приклеивают к подложке 1. К стрипам 3 токопроводящим клеем прикрепляют проводники (на рисунке не показаны) из тонкой проволоки, второй конец которых припаивают к ламелям 7 стрипов.

При сборке анода предварительно натянутые анодные проволочки 4 толщиной от 15 до 50 мкм прикрепляют с помощью клея к анодным держателям 11, выполненным аналогично держателям 5 подложки. Для этого также применяют оправку, к которой прикрепляют анодные проволочки 4 с шагом s=2 мм, натянутые с усилием, зависящим от толщины анодной проволочки 4. Проволочки 4 толщиной 20 мкм натягивают с усилием в 70 г. К каждой пластине держателя 11 прикрепляют панельки 12 с ламелями 13. Число ламелей 13 на панельке 12 соответствует половинному количеству анодных проволочек 4, что позволяет четные проволочки 4 припаять к ламелям 13 с одной стороны, а нечетные проволочки 4 - к ламелям 13 с противоположной стороны.

Сборку детектора осуществляют в следующей последовательности. К основанию 17 прикрепляют стойки 15. Затем к держателям 5 подложки и держателям 11 анодных проволочек прикрепляют пружинные элементы 9. Далее собирают сборку из последовательно устанавливаемых подложки 1 на держателях 5 и анодных проволочках 4 на держателях И, начиная и заканчивая подложкой 1, с установкой между ними дистанционных рамок 8. Подложки 1 на держателях 5 устанавливают так, чтобы в собранном детекторе ламели 7 были обращены в противоположную сторону от образца и луч от образца попадал на катод 2 подложки 1. Анодные проволочки 4 на держателях 11 устанавливают так, чтобы анодные проволочки 4 делили пополам образуемое пространство между подложками 1. Для формирования сборки в отверстия 10 в держателях 5 и 11 вставляют стяжки 14. Сборку устанавливают между стойками 15 и соединяют пружинные элементы с натяжителями 16. После этого выполняют натяжение каждой подложки 1 и натяжение анодных проволочек 4 с помощью регулирования растяжения соответствующих им пружинных элементов 9 до заданного усилия за счет смещения соответствующих натяжителей 16 пружинных элементов. Смещение натяжителей 16 выполняют, например, с помощью вращения винтов, входящих в конструкцию натяжителей 16. Натяжители 16 в своей конструкции имеют фиксирующий элемент, например изображенную на рисунке фиг. 1 гайку, не дающую возможность ослабления натяжения. После выполнения всех настроек стяжками 14 сжимают собранную сборку в единое целое. Контроль установки детектора в положение с расчетным углом а относительно образца проверяют, например, с помощью лазерной указки и подстраивают дополнительными юстирующими приспособлениями (на рисунке не показаны).

Принцип работы детектора поясняется схемой сечения одной из камер, показанной на фиг. 6. Для лучшего рассмотрения центральная область сечения вырезана. Схема приведена для ширины камеры 2h=4 мм. Анодные проволочки 4 разделяют ширину камеры пополам, поэтому расстояние анодные проволочки 4 - катод 2 и расстояние анодные проволочки 4 - стрипы 3 составляет h=2 мм. При этом шаг между анодными проволочками 4 составляет s=2 мм. Толщина слоя карбида бора ¹⁰B₄C d=3,5 мкм. На схеме толщина слоя карбида бора, толщина подложки и толщина стрипов показана увеличенной не в масштабе. Регистрируемый нейтрон n входит в катод 2, состоящий из слоя карбида бора ¹⁰B₄C, под минимальным углом α-β=1.89°. Захват нейтрона изотопом ¹⁰B происходит на глубине d₁. При его распаде образуются две частицы ⁷Li и ⁴Не, разлетающиеся равновероятно в противоположные стороны в любом направлении телесного угла 4π. Длина пробега частиц в материале конвертера из карбида бора ¹⁰B₄C составляет для ⁷Li - 1,7 мкм, для ⁴Не - 3,4 мкм (G. Albani, et al "Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters" Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9p) [5], G. Nowak и др. "In-kind detector activity @ HZG for the ESS detector group", https://studylib.net/doc/9502615/am-cld---ess-indico [6]). На фиг. 6 окружностями разного радиуса условно показан возможный пробег этих частиц в материале ¹⁰B₄C. Из глубины d₁<1,7 мкм, в газовую среду камеры выходит либо частица ⁷Li, либо частица ⁴Не, в зависимости от направления разлета. В связи с равновероятным разлетом частиц количество регистрируемых частиц пропорционально величине телесного угла с вершиной в точке захвата нейтрона, ограничивающегося линией пересечения радиусов пробега с поверхностью слоя карбида бора, который тем больше, чем меньше глубина d₁. Если разлетающиеся частицы не окажутся в этом телесном угле, то нейтрон обнаружен не будет. Если же захват нейтрона произойдет на глубине d₁>1,7 мкм, то обнаружение нейтрона за счет регистрации частицы ⁷Li не будет, так как из слоя материала ¹⁰B₄C эта частица не выйдет. Регистрация нейтронов в газовой камере осуществляется за счет того, что частицы ⁷Li и ⁴Не имеют высокие начальные энергии, составляющие для ⁴Не 1.47 МэВ (в 6% случаях 1.77 МэВ) и для ⁷Li 0.84 МэВ (в 6% случаях 1.01 МэВ). Потенциал ионизации рабочего газа аргона 15 эВ. Попавшие в газ частицы ионизуют газ с образованием на пути движения трек ионно-электронных пар. На рисунке фиг. 6 условно показан путь частицы и образованные электрон-ионные пары. Электроны, как легкие и подвижные частицы, направляются к ближайшим анодным проволочкам 4, имеющим диаметр, порядка 20 мкм. Благодаря столь малому диаметру вблизи анодных проволочек 4 образуется высокая напряженность электрического поля, в котором электроны, получая энергию при ускорении, производят вторичную ионизацию (газовое усиление). В результате вблизи анодной проволочки 4 возникает электронная лавина. Электроны лавины уходят на создавшие их анодные проволочки 4, а ионы дрейфуют в направлении к катоду 2 и к стрипам 3. С каждой анодной проволочки 4 считывается электрический сигнал (показан стрелкой), определяющий координату Y точки захвата нейтрона (с учетом поправки на h). Ионное облако индуцирует на стрипах 3 зарядовый импульс, величина которого пропорциональна ширине m стрипа (m=4 мм). Импульс считывается независимо с каждого стрипа (показан стрелкой) и определяет координату X точки захвата нейтрона. С одной стороны, уменьшение ширины m стрипа улучшает точность определения координаты X. С другой стороны, амплитуда сигнала пропорциональна площади стрипа. Поэтому поиск центра тяжести импульсов со стрипов с помощью математической обработки можно улучшить разрешение по координате X.

Высокая плоскостность, сохраняющаяся при подаче предельно высокого напряжения между катодом и анодными проволочками, позволяет создавать камеры шириной до 2h≤3 мм, устойчиво работающих при напряжении до 4000 В в плазменном режиме газового разряда (Б.Ж. Залиханов «Особенности электронной лавины в режиме большого газового усиления», Письма в ЭЧАЯ. 2006. Т. 3, №2(131). С. 81-100 [7]). Временное разрешение и максимальная загрузка детектора определяются ячейкой газовой камеры, т.е. расстоянием h между анодной проволочкой и катодом и расстоянием s между анодными проволочками, а именно произведением s⋅h. В работе [7] измерена длительность анодного сигнала по основанию в режиме столь большого газового усиления, которая составила ≈ 5 нс. Чтобы продукты от захвата нейтронов не выходили в соседнюю ячейку камеры, толщина конвертора выбрана равной d=3,5 мкм. При этом эффективная "толщина" конвертера на пути нейтронов составляет d_эф=100 мкм, что обеспечивает захват падающих нейтронов более 95% [4].

Изобретение относится к области регистрации и измерения потока ядерных излучений. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца содержит дистанционные вставки, имеющие клиновидную форму и расположенные так, что подложки наклонены по отношению друг к другу на угол β, равный углу расходящегося потока нейтронов от компактного исследуемого образца, попадающего в каждую камеру, определяемому по формуле где 2h - ширина камер со стороны входящего в камеру потока; R - расстояние от образца до середины первой анодной проволочки, определяемой со стороны входящего в камеру потока. При этом сам детектор приобретает веерную конструкцию и размещается так, что нейтроны падают на поверхность катода на входе в каждую камеру под одинаковым малым углом α, задаваемым от 1 до 5 градусов. Технический результат – повышение эффективности регистрации потока рассеянных тепловых и холодных нейтронов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца, представляющий собой герметичный корпус, включающий в себя одинаковые газовые многопроволочные пропорциональные камеры (далее камеры), заключенные между тонкими подложками из радиационно-стойкого материала, закрепленными с двух противоположных сторон на держателях подложки так, что образуется плоскость; катод в каждой камере сформирован на одной стороне подложки из материала, обогащенного изотопом ¹⁰В; анод выполнен из установленных в ряд с определенным шагом анодных проволочек, размещенных перпендикулярно направлению входящего в камеру излучения нейтронов, концы проволочек закреплены на анодных держателях так, что образуют анодную плоскость, делящую камеру на две части; между анодными держателями и держателями подложек размещены дистанционные вставки, задающие ширину камер, отличающийся тем, что дистанционные вставки имеют клиновидную форму и расположены так, что подложки наклонены по отношению друг к другу на угол β равный углу расходящегося потока нейтронов от компактного исследуемого образца (далее образец), попадающего в каждую камеру (далее входящий в камеру поток), определяемому по формуле:

где

2h - ширина камер со стороны входящего в камеру потока;

R - расстояние от образца до середины первой анодной проволочки, определяемой со стороны входящего в каждую камеру потока;

при этом сам детектор приобретает веерную конструкцию и размещен так, что нейтроны падают на поверхность катода на входе в каждую камеру под одинаковым малым углом а от 1 до 5 градусов;

2. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца по п. 1, отличающийся тем, что каждая анодная плоскость разделяет содержащую ее камеру на равные части;

3. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца по п. 1, отличающийся тем, что держатели подложки и анодные держатели снабжены пружинными элементами.