Позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов

Полезная модель относится к устройствам для регистрации тепловых нейтронов. Позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов, содержит: герметичный корпус, с элементами поддержки электродов, наполненный газовой смесью, входное окно, центральный проволочный анодный электрод, два проволочных катодных координатных электрода, расположенных симметрично по обе стороны от центрального анодного электрода с некоторым зазором, два проволочных катодных дрейфовых электрода, расположенных за ними подобным образом. Проволочки каждого катодного координатного электрода соединены в стрипы и ориентированы взаимно перпендикулярно относительно друг друга для получения декартовых координат X, Y и эти стрипы подключены к своим линиям задержки. Между катодным дрейфовым электродом и катодным координатным электродом в дрейфовом зазоре введен материал пористой структуры из аэрогеля: различные типы материала Pyrogel, толщиной, например, 5-10 мм, обогащенный одним из изотопов, который эффективно захватывает нейтрон и вступает с ним в ядерное взаимодействие, причем газовая смесь в корпусе находится при атмосферном давлении. Аэрогель (различные типы материала Pyrogel) обогащен одним из изотопов: ¹⁰B, ⁶Li, ¹¹³Cd, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁷ Hf, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁷Gd, имеющим большое сечение захвата нейтрона. Газовая смесь содержит инертный газ, например, один из: He, Ne, Ar, Kr, and Xe и окись углерода, а также может содержать добавку CF4, при этом детектор работает на продув. Технический эффект заключается в удешевлении конструкции за счет возможности отказа от дорогостоящего газа ³He, упрощение конструктивного исполнения за счет работы камеры при атмосферном давлении без ухудшения технических характеристик устройства.

Полезная модель относится к устройствам для регистрации тепловых нейтронов и может быть использовано для решения широкого круга задач нейтронографии и других задач.

Известен позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов с достаточно высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов, в которой конвертором является обогащенное изотопом лития ⁶Li стекло (17% ⁶Li) с добавкой Ce. Детектор содержит входное окно из светоотражающего материала - алюминиевая фольга, стекло толщиной 1 мм с добавкой Ce обогащенное изотопом лития ⁶Li (17% ⁶Li), воздушный промежуток порядка 1 мм, рассеиватель света толщиной 75 мм, регистрирующие фотоумножители диаметром 3 дюйма установленные на расстояние 83 мм друг от друга. При поглощение нейтрона в обогащенном изотопом лития ⁶ Li стекле рождается около 400 фотоэлектронов. Размеры воздушного промежутка и характеристики рассеивателя света подобранны таким образом, что фотоэлектроны от единичного нейтрона попадают на 5 фотоумножителей, эти 5 фотоумножителей образуют элемент детекторной матрицы. Таким образом, регистрация координат осуществляется детекторной матрицей размером 150×150 мм из 5×5 фотоумножителей и последующей математической обработкой. При этом получена эффективность 96% регистрации нейтронов с длиной волны : Kemmerling, O. el at, NuclearScience, IEEE Transactionson (Volume: 48, Issue: 4), Aug 2001, P. 1114-1117. [1]

Позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов имеет сложную систему организации детектора с размерами 600×600 мм из 16 детекторных матриц размером 150×150 мм, сложную систему считывания координатной информации X и Y с временем 20 мкс определения координат по центру тяжести распределения и недостаточное пространственное разрешение - 8 мм.

Наиболее близким к заявляемому устройству является позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов, где в качестве конвертора используется газ ³ He, а регистрация координат нейтрона производится многопроволочной камерой, наполненной под давлением газовой смесью ³ He с добавкой CF₄: V. Andreevetal, Nuci. Instr. Meth. A581, 123 (2007) [2]. Позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов на основе многопроволочной газонаполненной камеры имеет следующую конструкцию: входное окно из алюминиевого сплава толщиной 10 мм, две катодные дрейфовые сетки, расположенные симметрично относительно центральной анодной сетки, две катодные координатные сетки, также расположенные симметрично относительно центральной анодной сетки. Расстояние между катодными дрейфовыми сетками 32 мм. Анод образован сеткой из проволочек диаметром 25 мкм и расстоянием между проволочками 4 мм. Расстояние между координатными катодами и анодом 4 мм. Координатные катодные проволочки имеют диаметр 55 мкм и расположены с шагом 1 мм. Каждые 4 координатные катодные проволочки соединены между собой и образуют стрип.

Нейтрон при прохождении через позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов (на основе многопроволочной газонаполненной камеры) в направлении, близком к нормали к электродам, с достаточно высокой вероятностью захватывается ядром ³He в одном из двух дрейфовых зазорах толщиной 12 мм (дрейфовый зазор расположен между дрейфовым катодом и сигнальным катодом). В результате ядерной реакции ³He(n,p)³H возникают сильно ионизирующие короткопробежные частицы - протон отдачи и тритон с выделением дополнительной энергии 764 кэВ, что приводит к образованию в газе порядка 30 тысяч первичных электронов вблизи точки взаимодействия нейтрона с ядром. Первичные электроны дрейфуют в электрическом поле в направлении анодных (сигнальных) проволочек, вблизи которых возникает лавинное умножение числа электронов. Образовавшиеся в равных количествах вторичные электроны и положительные ионы разделяются, электроны быстро собираются на ближайшей сигнальной проволочке, а ионы, удаляясь, индуцируют сигналы положительной полярности на двух сигнальных катодах и сигнал отрицательной полярности на аноде. Считывание позиционной информации осуществляется при помощи проволочных стрипов, подключенных к своим линиям задержки. Стрипы плоскостей X и Y ориентированы взаимно перпендикулярно для регистрации двух декартовых координат X и Y. Такой позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов имеет достаточно высокую загрузочную способность 10⁵ с^-1, низкую чувствительность к гамма-излучению, при давлении выше 3 атм. имеет близкую к 100% эффективность регистрации нейтронов с длиной волны , а при давлении 6 атм. близкую к 50% эффективность регистрации тепловых нейтронов с длиной волны , пространственное разрешение 1-2 мм при размерах активной области 200-300 мм.

Недостатками прототипа являются дороговизна газа ³He, необходимость поддержания высокого давления в камере, сложность конструктивного выполнения камеры с высоким давлением с размерами больше 300 мм, уменьшение эффективности регистрации нейтронов из-за утечки газа во времени (прикладные измерения с использованием детектора длятся годами).

Задачей заявляемой полезной модели является создание такого устройства, которое позволит получить новый технический эффект, а именно: удешевление конструкции за счет возможности отказа от дорогостоящего газа ³He, упрощение конструктивного исполнения без ухудшения эффективности регистрации нейтронов и пространственного разрешения, обеспечения неизменности технических характеристик во времени, уменьшения рассеивания нейтронов на входном окне

Поставленная задача решается тем, что в известном позиционно-чувствительном детекторе тепловых нейтронов, который включает: герметичный корпус, с элементами поддержки электродов, наполненный газовой смесью, входное окно, центральный проволочный анодный электрод, симметрично по обе стороны от центрального анодного электрода расположены с некоторым зазором два проволочных катодных координатных электрода, а за ними подобным же образом расположены два проволочных катодных дрейфовых электрода, причем проволочки катодного координатного электрода соединены в стрипы и ориентированы взаимно перпендикулярно относительно друг друга для получения декартовых координат X, Y и подключены к своим линиям задержки, новым является то, что между катодным дрейфовым электродом и катодным координатным электродом в дрейфовом зазоре расположен материал пористой структуры из аэрогеля (различные типы материала Pyrogel) толщиной, например, 5-10 мм, обогащенный одним из изотопов, который эффективно захватывает нейтрон и вступает с ним в ядерное взаимодействие, причем газ в герметичном корпусе находится при атмосферном давлении.

Аэрогель (Pyrogel-XT) обогащается одним из изотопов: ¹⁰B, ⁶ Li, ¹¹³Cd, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁷Hf, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁷Gd, имеющим большое сечение захвата нейтрона.

Газовая смесь содержит инертный газ: один из He, Ne, Ar, Kr, Xe и окись углерода (CO₂), а также может содержать добавку CF₄. (при этом детектор работает на продув). Так как газовая смесь находится при атмосферном давлении, то это позволяет сделать входное окно тонким и вследствие этого уменьшить рассеивание нейтронов на входном окне.

Технический эффект обусловлен тем, что при работе устройства в порах аэрогеля (различные типы материала Pyrogel), обогащенного одним из изотопов, который эффективно захватывает нейтрон и вступает с ним в ядерное взаимодействие, образуются сильно ионизирующие газ частицы, например, короткопробежные альфа-частицы и ядра отдачи, или конверсионные электроны. Таким образом, эффективность определяется не дорогостоящим газом (как в прототипе), а концентрацией ядер, захватывающих нейтрон, таких, как ¹⁰B, ⁶Li, ¹¹³Cd, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁷ Hf, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁷Gd и др., вступающих с нейтроном в ядерную реакцию.

На фиг 1. представлен позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов: два независимых и идентичных каскада, регистрирующих нейтроны, с общим индукционным зазором, где: 1 - корпус, 2 - входное окно, 3 - проволочный дрейфовый катодный электрод, 4 - проволочный координатный катодный электрод, 5 - проволочный анодный электрод, 6 - пористый материал - аэрогель (различные типы материала Pyrogel толщиной 1 см), обогащенный, например, дешевым природным бором, в котором содержится 20% изотопа ¹⁰B. Общий индукционный зазор образован между верхним и нижним проволочными координатными катодными электродами 4. Два дрейфовых зазора 6 образованны между проволочным дрейфовым катодным электродом 3 и проволочным координатным катодным электродом 4. газовая смесь в герметичном корпусе находится при атмосферном давлении.

Входное окно 2 из алюминиевого сплава толщиной 0.1 мм, два проволочных катодных дрейфовых электродов 3 расположены симметрично относительно центрального анодного электрода 5 (сигнальный электрод), два проволочных катодных координатных электрода 4 также расположены симметрично относительно проволочного центрального анодного электрода 5. Между катодным дрейфовым электродом и катодным координатным электродом в дрейфовом зазоре расположен пористый материал 6 - аэрогель (Pyrogel-XT) толщиной 1 см, обогащенный, например, дешевым природным бором, в котором содержится 20% изотопа ¹⁰B. Общий индукционный зазор образован между катодными координатными электродами. Катодные координатные электроды расположены ближе к центральному анодному электроду, чем катодные дрейфовые электроды.

Работа устройства.

Тепловые нейтроны интенсивно взаимодействуют с ядрами изотопа ¹⁰B. В экзотермической реакции ¹⁰B(n,) возникают -частицы и ядро ⁷Li. Эта реакция проходит по двум каналам:

Первый канал ¹⁰B+n(⁷Li)*++E1

Второй канал ¹⁰B+n⁷Li*++E2.

где E1 и E2 - энергия реакции, освобождаемая в виде кинетической энергии продуктов реакции. В первом канале ядро 7Li образуется в возбужденном состоянии с энергией возбуждения 0,48 МэВ. Возбужденное состояние 7Li помечено звездочкой. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием -кванта с энергией E=0,48 МэВ. Поэтому первый канал реакции можно переписать так: ¹⁰B+n⁷Li++E+E. Энергия реакции ¹⁰B(n,)⁷Li равна 2,78 МэВ. Одна часть энергии (E=0,48 МэВ) уносится -квантом, другая часть (El=2,30 МэВ) выделяется в виде кинетической энергии -частицы и ядра лития. Из энергии E1=2,30 МэВ на долю -частицы приходится E=1,47 МэВ, а на долю ядра лития ELi=0,83 МэВ. Вероятность протекания реакции по первому каналу составляет 0,93 для тепловых нейтронов. По второму каналу реакция ¹⁰B(n,)⁷Li идет с вероятностью 7% для тепловых нейтронов и соответственно с большей вероятностью для быстрых нейтронов. Энергия реакции E2 - 2,78 МэВ в этом случае полностью уносится -частицей и ядром лития. Кинетические энергии -частицы и ядра лития, возникающие во втором канале (n,)-реакции, равны E=1,77 МэВ и ELi=1,01 МэВ.

При взаимодействии теплового нейтрона с ¹⁰B в одном из дрейфовых промежутков рождаются сильно ионизирующие -частицы и ядра ⁷Li, которые в свою очередь приводят к образованию в газе, находящемся при атмосферном давлении первичных электронов и положительно заряженных ионов. Положительно заряженные ионы дрейфуют в электрическом поле в направлении дрейфовых катодных электродов. Первичные электроны дрейфуют в электрическом поле в направлении проволочного анодного электрода. Вблизи проволочек анодного электрода возникает лавинное умножение числа электронов. Образовавшиеся в равных количествах вторичные электроны и положительные ионы разделяются, электроны быстро собираются на ближайшей сигнальной проволочке анода, а ионы, удаляясь, проходя при этом через общий индукционный зазор, индуцируют сигналы положительной полярности на двух катодах и сигнал отрицательной полярности на аноде.

Для оценки влияния на работоспособность детектора положительного заряда, заметим, что в случае применения в качестве конвертора ¹⁰B в порах образуется порядка 50 тысяч положительных ионов, что составляет 8 фКл.

При нейтронной загрузке 10⁵ с^-1 получим ток положительных ионов 8·10^-15·10⁵ =8·10¹⁰=0.8 нА.

Пользуясь законом Видемана-Франца, связывающим теплопроводность и электропроводность а материала при заданной температуре T=300 K: , можно показать, что резистивность материала 1/_Ру=1*10¹² [Ом^-1], т.е. при приложенном к пористой структуре напряжении 1000 В ток через материал составит 1 нА, что составляет ту же по порядку величину, что и ток положительного заряда. Отсюда следует вывод, что накопления положительного заряда не будет. Положительный заряд, который возникает в общем индукционном зазоре, собирается на катодах и не накапливается также. Отсутствие накопления заряда обеспечивает работоспособность детектора при нейтронной загрузке 10⁵ с^-1 и неизменность его характеристик при изменении нейтронной загрузки.

Предлагаемый детектор свободен от указанных недостатков прототипа: газовая смесь, находящаяся при атмосферно давлении, состоит из смеси любого инертного газа с углекислым газом, причем эффективность определяется не газом, а концентрацией ядер, захватывающих нейтрон таких, как, ¹⁰B, ⁶Li, ¹¹³Cd, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁷Hf ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁷Gd и др., вступающих с нейтроном в ядерную реакцию, в результате которой в порах образуются сильно ионизирующие газ короткопробежные частицы (альфа-частицы и ядра отдачи), причем необходимая концентрация создается обогащением пористого материала - аэрогеля (различные типы материала Pyrogel), введенного в конструкцию детектора. Ниже приведена формула и расчет эффективности регистрации нейтронов с энергией 0.025 эВ () для изотопа бора ¹⁰B (сечение захвата теплового нейтрона ядром изотопа ¹⁰B=3840 барн) при обогащении (пропиткой) пор аэрогеля (Pyrogel-XT) 10% раствором борной кислоты (H₃BO₃ ) из расчета 1 см³ раствора на 1 см³ пористого материала, можно получить достаточно высокую эффективность на двух каскадах толщиной 1 см каждый:

,

где - плотность порошка борной кислоты [г/см³] при этом учитывается, что в природном боре содержится 20%) ¹⁰B, кроме того учитывается 10% концентрация борной кислоты на спирту, A - молекулярный вес [г/моль], N_A - число Авогадро [моль^-1], - сечение взаимодействия нейтрона с материалом конвертора (¹⁰B в этой формуле) [см^-2], d - толщина материала пористого конвертора [см]. При использовании 20% концентрации борной кислоты эффективность регистрации нейтронов с энергией 0.025 эВ () на двух каскадах, толщиной 1 см каждого, составит =98.6%. Для концентрации 100% эффективность регистрации нейтронов с энергией 0.025 эВ () на двух каскадах толщиной 5 мм каждого составит =99.5%, а это значит, что данный детектор по толщине 3 раза тоньше прототипа, а, значит, имеет меньше параллакс. Расположение между катодным дрейфовым электродом и катодным координатным электродом в дрейфовом зазоре материала пористой структуры из аэрогеля толщиной, например, 5-10 мм, и обогащенного одним из изотопов, который эффективно захватывает нейтрон и вступает с ним в ядерное взаимодействие, позволяет создать детектор с высокой эффективностью регистрации нейтронов без использования дорогостоящего газа Не без ухудшения характеристик детектора. Так как газовая смесь находиться при атмосферном давлении, то уменьшается толщина входного окна и, следовательно, рассеивание нейтронов на входном окне.

Кроме того, газ также может содержать добавку CF₄ При этом детектор работает на продув. Газ CF₄ выполняет функцию "гасящей" добавки и не допускает распространения лавинного разряда и тем самым стабилизирует работу детектора.

Аэрогель (Pyrogel) известен из многих публикаций, например:

http://www.aerogel-russia.ru/cat/pvrogel-xt.html [3]

http://www.aerogel.com.au/products-and-services/pyrogel [4]

Литература

1. Kemmerling, G. Engels, R.; Bussmann, N.; Clemens, U.; Heiderich, M.; Reinartz, R.; Rongen, H.; Schelten, J.; Schwann, D.; Zwoll, K. A new two-dimensional scintillation detector system for small-angle neutron scattering experiments. Nuclear Science, IEEE Transactions on (Volume: 48, Issue: 4), Aug. 2001, P. 1114-1117.

2. Andreev V., Ganzha G., Ilyin D., Ivanov E., Kovalenko S., Krivshich ., Nadtochy ., Runov V. Two-dimensional Detector of Thermal Neutrons // Nucl. Instrum. and Methods A. 2007. V. 581. P. 123-127. - прототип.

3. http://www.aerogel-russia.ru/cat/pyrogel-xt.html.

4. http://www.aerogel.com.au/products-and-services/pyrogel.

1. Позиционно-чувствительный детектор тепловых нейтронов, включающий: герметичный корпус, с элементами поддержки электродов, наполненный газовой смесью, входное окно, центральный проволочный анодный электрод, два проволочных катодных координатных электрода, расположенные симметрично по обе стороны от центрального анодного электрода с некоторым зазором, два проволочных катодных дрейфовых электрода, расположенных за ними подобным образом, причем проволочки каждого катодного координатного электрода соединены в стрипы и ориентированы взаимно перпендикулярно относительно друг друга для получения декартовых координат , Y и эти стрипы подключены к своим линиям задержки, отличающийся тем, что между катодным дрейфовым электродом и катодным координатным электродом в дрейфовом зазоре расположен материал пористой структуры из аэрогеля: различные типы материала Pyrogel, толщиной, например, 5-10 мм, обогащенный одним из изотопов, который эффективно захватывает нейтрон и вступает с ним в ядерное взаимодействие, причем газовая смесь находится при атмосферном давлении.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что аэрогель (различные типы материала Pyrogel) обогащен одним из изотопов: ¹⁰B,⁶ Li, ¹¹³Cd, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁷Hf, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁷Gd, имеющим большое сечение захвата нейтрона.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовая смесь содержит инертный газ, например, один из: Не, Ne, Ar, Кr, and Хе и окись углерода, а также может содержать добавку CF₄ при этом детектор работает на продув.