RU174185U1

RU174185U1 - TWO-ORDER POSITION-SENSITIVE DETECTOR OF HEAT AND COLD NEUTRONS

Info

Publication number: RU174185U1
Application number: RU2017111334U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Петрович Кащук; Ольга Васильевна Левицкая; Валерий Анатольевич Соловей; Андрей Владимирович Чураков
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2017-10-06

Abstract

Полезная модель относится к области регистрации и измерения ядерных излучений и предназначена для исследования с помощью тепловых и холодных нейтронов структуры вещества. Двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов состоит из герметичного корпуса, заполненного газовой смесью, например Ar(80%)/CO(20%), при атмосферном давлении на продув, системы электродов - катода и анода, составляющих ячейки, размещенные с определенным шагом и объединенные в первый детектирующий слой. Катодом ячейки служит пластинка-подложка из алюминия с нанесенной на ее поверхность тонкой пленкой карбида бораBC, обогащенного до 80% изотопомB, а анодом - тонкие вольфрамовые проволочки, размещенные между пластинками, причем пластинки повернуты на небольшой угол относительно нормали к поверхности входного окна детектора. Введен идентичный первому второй детектирующий слой с углом поворота пластинок, измененным на противоположный, с образованием шевронной структуры, при этом пластинки со сплошным конверторным слоем, нанесенным на обе стороны подложки, чередуются с пластинками с конверторным слоем в виде стрипов, нанесенным на обе стороны предварительно пассивированной подложки, со сдвигом последних относительно первого слоя на шаг ячеек. Технический результат – повышение эффективности при сохранении высокого быстродействия и низкой чувствительности к гамма-фону. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model relates to the field of registration and measurement of nuclear radiation and is intended to study the structure of matter using thermal and cold neutrons. The two-coordinate position-sensitive detector of thermal and cold neutrons consists of a sealed enclosure filled with a gas mixture, for example Ar (80%) / CO (20%), at atmospheric pressure on the blow, electrode systems - the cathode and anode, which make up the cells, placed with a certain step and combined into the first detection layer. The cathode of the cell is a plate-substrate made of aluminum with a thin film of boron carbideBC enriched up to 80% isotope B, and the anode is thin tungsten wires placed between the plates, and the plates are rotated by a small angle relative to the normal to the surface of the detector input window. A second detecting layer identical to the first was introduced with the rotation angle of the plates reversed to form a chevron structure, while plates with a continuous converter layer deposited on both sides of the substrate alternate with plates with a converter layer in the form of strips deposited on both sides of previously passivated substrate, with a shift of the latter relative to the first layer by a step of cells. The technical result is an increase in efficiency while maintaining high speed and low sensitivity to gamma background. 1 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области регистрации и измерения ядерных излучений и предназначена прежде всего для исследования с помощью тепловых и холодных нейтронов структуры вещества, находящегося в конденсированном состоянии (дифрактометры, рефлектометры), но может быть применено в нейтронографии и других прикладных и фундаментальных исследованиях.The utility model relates to the field of registration and measurement of nuclear radiation and is intended primarily for studying with the help of thermal and cold neutrons the structure of a substance in a condensed state (diffractometers, reflectometers), but can be applied in neutron diffraction and other applied and fundamental research.

Газо-наполненные детекторы тепловых и холодных нейтронов состоят из системы электродов, размещенных в герметичном корпусе, заполненном газовой смесью. В качестве конверторов может выступать либо сам газ, либо тонкий слой конвертора, нанесенный на один из электродов - катод или анод, или на оба электрода. В двухкоординатном позиционно-чувствительнои детекторе сигнал снимается с токопроводящих элементов, ориентированных вдоль Х- и Y-координат во фронтальной плоскости детектора (Z - ось пучка).Gas-filled detectors of thermal and cold neutrons consist of a system of electrodes placed in a sealed enclosure filled with a gas mixture. Either the gas itself or a thin layer of the converter deposited on one of the electrodes — the cathode or anode, or both electrodes can act as converters. In a two-coordinate position-sensitive detector, the signal is taken from conductive elements oriented along the X- and Y-coordinates in the frontal plane of the detector (Z is the beam axis).

Известны двухкоординатные детекторы тепловых и холодных нейтронов, выполненные на базе симметричных проволочных пропорциональных камер, в которых в качестве конвертора нейтронов используется газ ³Не: Academic Press, 1983. p.129) [1]; Nucl. Instrum. and Methods A581 (2007), p. 123. [2]. Сечение захвата теплового нейтрона с энергией 0.025 эВ (длина волны

) ядром ³Не довольно высокое и равняется 5330 барн. Однако, для достижения нужной концентрации ядер ³Не на пути нейтрона с целью получения высокой эффективности регистрации нейтронов в таких детекторах необходимо создавать давление газа 5-10 атмосфер.Known two-coordinate detectors of thermal and cold neutrons, made on the basis of symmetric proportional wire chambers in which ³ He gas is used as a neutron converter: Academic Press, 1983. p.129) [1]; Nucl. Instrum. and Methods A581 (2007), p. 123. [2]. Thermal neutron capture cross section with an energy of 0.025 eV (wavelength

) core ³ Not quite high and equals 5330 barn. However, in order to achieve the desired concentration of ³ He nuclei in the neutron path in order to obtain high neutron detection efficiency in such detectors, it is necessary to create a gas pressure of 5-10 atmospheres.

Недостатком детекторов, наполненных ³Не, является громоздкость конструкции из-за высокого давления, дороговизна газа ³Не, что привело в 2000-е годы к поиску других способов регистрации тепловых и холодных нейтронов.The disadvantage of detectors filled with ³ He is the bulkiness of the structure due to the high pressure, the high cost of ³ He gas, which led in the 2000s to the search for other methods of detecting thermal and cold neutrons.

Известны детекторы тепловых и холодных нейтронов: Патент РФ №2282215 «Позиционно-чувствительный детектор нейтронов» [3]; Позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов с борным конвертором. // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т 75, №2. С. 252 [4]. Они работают на недорогих инертных газах и смесях, например на основе аргона, при атмосферном давлении. В этих детекторах для захвата нейтронов используется твердотельный конвертор, например слой бора ¹⁰B. Последний, как и ³Не, характеризуется большим сечением захвата теплового нейтрона, σ_п=3840 барн, для нейтрона с энергией 0.025 эВ (

).Known detectors of thermal and cold neutrons: RF Patent No. 2282215 "Position-sensitive neutron detector"[3]; Position-sensitive wire-strip detector of thermal and cold neutrons with a boron converter. // Proceedings of the RAS. The series is physical. 2011. T 75, No. 2. S. 252 [4]. They operate on inexpensive inert gases and mixtures, for example argon-based, at atmospheric pressure. In these detectors, a solid-state converter is used for neutron capture, for example, a ¹⁰ B boron layer. The latter, like ³ He, is characterized by a large thermal neutron capture cross section, σ _p = 3840 barn, for a neutron with an energy of 0.025 eV (

)

В результате захвата нейтрона ядром ¹⁰В образуется возбужденное ядро ¹¹В, которое распадается на ядро ⁷Li и альфа-частицу ⁴Не. Протекающие реакции записываются в виде:As a result of neutron capture by a ¹⁰ V nucleus, an excited ¹¹ V nucleus is formed, which decays into a ⁷ Li nucleus and an alpha particle ⁴ He. The ongoing reactions are recorded as:

В скобках указаны энергии продуктов распада и вероятности реакций. Образующиеся заряженные частицы-фрагменты - ядра гелия ⁴Не и лития ⁷Li вылетают в противоположных направлениях анизотропно с углом между их траекториями равным 180°. Фрагменты теряют часть своей энергии внутри вещества конвертора, оставшаяся энергия расходуется на ионизацию и возбуждение атомов газа при выходе в рабочий объем детектора, что позволяет зарегистрировать сигналы.In parentheses are the energies of the decay products and the probabilities of the reactions. The charged charged particle particles — helium ⁴ He and lithium ⁷ Li nuclei fly out in opposite directions anisotropically with an angle between their trajectories of 180 °. Fragments lose part of their energy inside the converter substance, the remaining energy is spent on ionization and excitation of gas atoms when they enter the working volume of the detector, which allows you to register signals.

Для эффективной регистрации тепловых и холодных нейтронов таким детектором необходимо создать определенную концентрацию ядер ¹⁰В на пути нейтрона, для чего слой конвертора должен быть достаточно толстым. Однако, толщина этого слоя не может превышать длину пробега ядерных продуктов в веществе конвертора. Эта длина зависит от ядра и его энергии, плотности вещества и для бора хорошо известна: 3.27 (4.05) мкм для ядер ⁴Не с энергией 1.47 (1.78) МэВ и 1.69 (1.90) мкм для ядер лития ⁷Li с энергией 0.84 (1.01) МэВ. Отсюда видно, что толщина конвертора должна быть порядка 1-3 мкм. Можно показать, что при такой толщине конвертора эффективность регистрации нейтрона не больше 5%, что является недостатком.For effective registration of thermal and cold neutrons by such a detector, it is necessary to create a certain concentration of ¹⁰ V nuclei in the neutron path, for which the converter layer must be sufficiently thick. However, the thickness of this layer cannot exceed the mean free path of nuclear products in the converter material. This length depends on the core and its energy, the density of the substance, and is well known for boron: 3.27 (4.05) μm for ⁴ He nuclei with an energy of 1.47 (1.78) MeV and 1.69 (1.90) μm for ⁷ Li nuclei with an energy of 0.84 (1.01) MeV This shows that the thickness of the converter should be about 1-3 microns. It can be shown that with such a converter thickness, the neutron detection efficiency is not more than 5%, which is a drawback.

Для получения высокой эффективности на пути нейтронов устанавливают по 10-20 пластин с нанесенными на них тонкими слоями твердотельного конвертора, как это сделано в работах: [5] (М. Klein, С.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics. // Nucl. Instrum. and Methods, A628 (2011), p.9) и [6] (Zhehui Wang, C.L. Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons. // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011) 323-325). Это позволяет продуктам реакции (1) выйти из каждого слоя в газ и быть зарегистрированными.To obtain high efficiency, 10-20 plates with thin layers of a solid-state converter deposited on them are installed on the neutron path, as was done in [5] (M. Klein, C. J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC / FPGA based readout electronics. // Nucl. Instrum. and Methods, A628 (2011), p.9) and [6] (Zhehui Wang, CL Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons. // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011) 323-325). This allows the reaction products (1) to exit from each layer into the gas and be registered.

Однако, как показано в работе [6], при многократном повторении слоев конвертора эффективность регистрации тепловых нейтронов с энергией 0.025 эВ (

) ограничена величиной в 42%, что меньше эффективности, получаемой в детектроах с ³Не, и является недостатком. Другим недостатком использования чистого бора, имеющего высокое удельное сопротивление 10⁶ Ом⋅м, является накопление заряда на поверхности катода, что снижает быстродействие детектора.However, as shown in [6], with repeated repetition of the converter layers, the detection efficiency of thermal neutrons with an energy of 0.025 eV (

) is limited to 42%, which is less than the efficiency obtained in detectors with ³ He, and is a drawback. Another disadvantage of using pure boron, having a high resistivity of 10 ⁶ Ohm⋅m, is the accumulation of charge on the surface of the cathode, which reduces the speed of the detector.

Наиболее близким по конструктивным признакам и технической сущности к предлагаемому решению является двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов, описанный в работе [7] (Piscitelli, F. Messi, et al. The Multi-Blade Boron- 10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS // arXiv:1701.07623v1, 26 January 2017) с наклоном конверторного слоя относительно траектории нейтрона. При развороте пластинок на малый угол θ существенно увеличивается эффективная толщина конверторного слоя ¹⁰В на пути нейтрона:The closest in design features and technical nature to the proposed solution is the two-coordinate position-sensitive detector of thermal and cold neutrons described in [7] (Piscitelli, F. Messi, et al. The Multi-Blade Boron-10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS // arXiv: 1701.07623v1, 26 January 2017) with the inclination of the converter layer relative to the neutron trajectory. When the plates are turned through a small angle θ, the effective thickness of the ¹⁰ V converter layer in the neutron path substantially increases:

где d - физическая толщина, поэтому эффективность тонко-пленочного детектора может превышать эффективность детекторов с ³Не. В детекторе-прототипе [7] в качестве конвертора используется слой карбида бора ¹⁰В₄С, обогащенного до 80% изотопом ¹⁰В, нанесенный на пластинку вакуумным напылением [8] (С.

, et al. В₄С thin films for neutron detection. // Journal of Applied Physics, vol. III, no. 10, 2012.). Карбид бора имеет удельное сопротивление 10^-3 Ом⋅м, т.е. на 9 порядков меньше, чем у бора, что исключает накопление заряда на его поверхности. Рассматриваемый детектор состоит из набора ячеек, каждая из которых образует проволочную камеру с двумя катодами: один катод образует пластинка из алюминия толщиной 1 мм с карбидом бора на ее поверхности, вторым катодом являются медные полоски-стрипы, нанесенные на кантон, ориентрованные перпендикулярно проволочкам и размещенные с обратной стороны пластинки с конвертором. Между пластинками размещены анодные проволочки с шагом 4 мм. При срабатывании детектора номер проволочки определяет Х-координату нейтрона, а номер стрипа - Y-координату. Толщина конверторного слоя в детекторе-прототипе 7.5 мкм выбрана такой, чтобы максимально увеличить вероятность захвата нейтрона и минимизировать эффект рассеяния нейтронов на кантоне. При развороте пластинок на угол θ=5° (0.087 рад) согласно (2) в 11.5 раз увеличивается эффективная толщина конверторного слоя на пути нейтрона и становится равной 86 мкм. Для того чтобы из-за расходимости пучка нейтронов, идущих от образца, угол θ не изменялся, пластинка с конвертором каждой следующей ячейки дополнительно развернута относительно траектории нейтрона - применен принцип "жалюзи".where d is the physical thickness; therefore, the efficiency of a thin-film detector can exceed the efficiency of detectors with ³ He. In the prototype detector [7], a ¹⁰ V ₄ C boron carbide layer enriched up to 80% with a ¹⁰ V isotope deposited on a wafer by vacuum deposition [8] is used as a converter [C.]

, et al. _B4C thin films for neutron detection. // Journal of Applied Physics, vol. III, no. 10, 2012.). Boron carbide has a specific resistance of 10 ^-3 Ohm⋅m, i.e. 9 orders of magnitude less than that of boron, which eliminates the accumulation of charge on its surface. The detector under consideration consists of a set of cells, each of which forms a wire chamber with two cathodes: one cathode forms a 1 mm thick aluminum plate with boron carbide on its surface, the second cathode is copper strip strips deposited on the canton, oriented perpendicular to the wires and placed on the back of the plate with the converter. Between the plates there are anode wires with a pitch of 4 mm. When the detector is triggered, the wire number determines the X-coordinate of the neutron, and the strip number determines the Y-coordinate. The thickness of the converter layer in the prototype detector of 7.5 μm is selected so as to maximize the probability of neutron capture and minimize the effect of neutron scattering on the canton. When the plates are turned through an angle θ = 5 ° (0.087 rad), according to (2), the effective thickness of the converter layer on the neutron path increases by 11.5 times and becomes 86 μm. In order that, due to the divergence of the neutron beam coming from the sample, the angle θ does not change, the plate with the converter of each next cell is additionally deployed relative to the neutron trajectory - the "blinds" principle has been applied.

Двухкоординатный детектор-прототип тепловых и холодных нейтронов [7] обладает высоким быстродействием и низкой чувствительностью к гамма-фону, однако он имеет недостаточную эффективность регистрации нейтронов из-за большой толщины конверторного слоя 7.5 мкм, при которой вероятность захвата нейтрона практически 100%, но вероятность выхода фрагментов реакции (1) в газ мала. Другим недостатком прототипа является зависимость эффективности от координаты, т.к. разворот типа "жалюзи" пластинок с конвертором приводит к изменению зазора анод-катод проволочной камеры: зазор меньше 8 мм со стороны входа нейтронов в ячейку и больше 8 мм в области выхода нейтронов. Изменение зазора, в свою очередь, изменяет коэффициент газового усиления, в итоге - изменяется эффективность детектора [7]. Недостатком прототипа является также одностороннее нанесение карбида бора на пластинку-подложку, что приводит к ее деформации [8] и дополнительно влияет на газовое усиление. Кроме того, в детекторе на пути нейтронов имеется органическое вещество - каптон [7], сильно рассеивающее тепловые нейтроны.The two-coordinate prototype thermal and cold neutron detector [7] has high speed and low sensitivity to gamma background, however, it has insufficient neutron detection efficiency due to the large thickness of the converter layer of 7.5 μm, at which the probability of neutron capture is almost 100%, but the probability the yield of reaction fragments (1) into the gas is small. Another disadvantage of the prototype is the dependence of efficiency on the coordinates, because a “louvre” type reversal of plates with a converter leads to a change in the anode-cathode gap of the wire chamber: the gap is less than 8 mm from the side of the neutron entrance into the cell and more than 8 mm in the region of neutron exit. Changing the gap, in turn, changes the coefficient of gas amplification, as a result, the efficiency of the detector changes [7]. The disadvantage of the prototype is also the one-sided deposition of boron carbide on the wafer, which leads to its deformation [8] and additionally affects gas amplification. In addition, in the detector on the neutron path there is an organic substance - kapton [7], which strongly scatters thermal neutrons.

Все эти факторы в совокупности влияют на эффективность детектора-прототипа и ее зависимость от координаты.All these factors together affect the efficiency of the prototype detector and its dependence on the coordinate.

Техническим эффектом заявляемой полезной модели является повышение эффективности при сохранении высокого быстродействия и низкой чувствительности к гамма-фону.The technical effect of the claimed utility model is to increase efficiency while maintaining high speed and low sensitivity to gamma background.

Технический эффект достигается тем, что в двухкоординатном позиционно-чувствительном детекторе тепловых и холодных нейтронов, состоящем из герметичного корпуса, заполненного газовой смесью, например Ar(80%)/СО₂(20%), при атмосферном давлении на продув, системы электродов - катода и анода, составляющих ячейки, размещенные с определенным шагом и объединенные в первый детектирующий слой, при этом катодом ячейки служит пластинка-подложка из алюминия с нанесенной на ее поверхность тонкой пленкой карбида бора ¹⁰В₄С, обогащенного до 80% изотопом ¹⁰В, а анодом - тонкие вольфрамовые проволочки, размещенные между пластинками, причем пластинки повернуты на небольшой угол относительно нормали к поверхности входного окна детектора, новым является то, что введен идентичный первому второй детектирующий слой, с углом поворота пластинок, измененным на противоположный, с образованием шевронной структуры, при этом пластинки со сплошным конверторным слоем, нанесенным на обе стороны подложки, чередуются с пластинками с конверторным слоем в виде стрипов, нанесенным на обе стороны предварительно пассивированной подложки, со сдвигом последних относительно первого слоя на шаг ячеек.The technical effect is achieved by the fact that in a two-coordinate position-sensitive detector of thermal and cold neutrons, consisting of a sealed enclosure filled with a gas mixture, for example Ar (80%) / CO ₂ (20%), at atmospheric pressure on the blow, the electrode system is the cathode and the anode that make up the cells, placed at a certain step and combined into the first detecting layer, while the cathode of the cell is an aluminum substrate plate with a thin film of ¹⁰ V ₄ C boron carbide enriched up to 80% with ¹⁰ V is deposited on its surface and the anode is thin tungsten wires placed between the plates, and the plates are rotated at a small angle relative to the normal to the surface of the detector input window, it is new that a second detection layer identical to the first is introduced, with the plate rotation angle changed to the opposite, with the formation of a chevron structures, with plates with a continuous converter layer deposited on both sides of the substrate, alternating with plates with a converter layer in the form of strips, deposited on both sides of the passivated substrate with a shift relative to the last cell on the first layer step.

А также новым является то, что электроды через усилители и дискриминаторы подключены к программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), при этом одноименные проволочки ячеек соединены вместе на входе усилителей.And also new is that the electrodes through amplifiers and discriminators are connected to a programmable logic integrated circuit (FPGA), while the wires of the same name are connected together at the input of the amplifiers.

Предложенная совокупность признаков обеспечивает технический эффект за счет увеличения числа слоев конвертора, каждый из которых остается достаточно тонким, и поэтому вероятность выхода фрагментов реакции (1) в газ увеличивается, а также за счет исключения зависимости эффективности регистрации и счета нейтронов от координаты, исключения деформации пластинок с конвертором и исключения органического вещества на пути нейтронов.The proposed set of features provides a technical effect by increasing the number of converter layers, each of which remains sufficiently thin, and therefore the probability of the release of reaction fragments (1) into the gas increases, as well as by eliminating the dependence of registration efficiency and neutron count on the coordinate, eliminating plate deformation with converter and elimination of organic matter in the neutron path.

Введение второго детектирующего слоя, идентичного первому, но с расположением пластинок с конвертором таким образом, что пластинки двух слоев образуют "шеврон" - угол поворота пластинок во втором слое изменяется на противоположный по знаку при той же его величине. Это приводит к тому, что при этом на пути нейтрона увеличивается число конверторных слоев (в 4 раза по сравнению с прототипом, что позволяет уменьшить толщину каждого слоя до 1-3 мкм. Если имеется расходимость пучка нейтронов и выполняется условие: угол расходимости α_max меньше угла поворота пластинок θ, то при расположении пластинок шевроном эффективность детектора усредняется и не зависит от координаты. Средний угол

является постоянным. Аналогично усредняется количество вещества на пути нейтронов, что дает постоянное затухание потока и приводит к стабильному счету нейтронов независимо от координаты. В предлагаемом детекторе исключена деформация пластинок-подложки, т.к. карбид бора наносится на обе стороны подложки, причем пластинки со сплошным покрытием и с покрытием в виде стрипов установлены со сдвигом на пути нейтрона так, что в среднем толщина конвертора от ячейки к ячейке одинаковая. Кроме того, в предлагаемой конструкции детектора на пути нейтронов нет органического вещества, сильно рассеивающего тепловые нейтроны.The introduction of the second detecting layer, identical to the first, but with the arrangement of the plates with the converter in such a way that the plates of the two layers form a "chevron" - the angle of rotation of the plates in the second layer changes to the opposite in sign with the same value. This leads to the fact that the number of converter layers increases by 4 times in comparison with the prototype, which allows reducing the thickness of each layer to 1-3 μm. If there is a divergence of the neutron beam and the condition is fulfilled: the divergence angle α _{max is} less angle of rotation of the plates θ, then when the plates are arranged with a chevron, the detector efficiency is averaged and does not depend on the coordinate.

is permanent. Similarly, the amount of matter in the neutron path is averaged, which gives a constant attenuation of the flux and leads to a stable neutron count regardless of the coordinate. In the proposed detector, deformation of the substrate plates is excluded, since boron carbide is deposited on both sides of the substrate, and plates with a continuous coating and a coating in the form of strips are mounted with a shift in the neutron path so that, on average, the thickness of the converter from cell to cell is the same. In addition, in the proposed detector design, there is no organic matter in the neutron path that strongly scatters thermal neutrons.

На рисунках: фиг. 1, 2, 3, представлены основные элементы схемы и конструкции заявляемого детектора тепловых и холодных нейтронов планарной конструкции, состоящего из двух детектирующих слоев, образующих вместе шеврон. Здесь 1 - пластинки-катоды с нанесенным на них с двух сторон конвертором из карбида бора ¹⁰В₄С, обогащенного изотопом ¹⁰В, в виде сплошного слоя; 2 - пластинки-катоды с нанесенным на них с двух сторон конвертором из карбида бора ¹⁰В₄С в виде стрипов (стрипы нанесены через трафарет на окись алюминия Al₂O₃, полученную пассивированием поверхности подложки до нанесения карбида бора, как это выполнено в работе (G. Albani, et al. Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters. // Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9р). [9]; 3 - анодные проволочки. Зазор анод-катод постоянный. Пластинки с конвертором отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии а, например а=5 мм, и повернуты относительно нормали к поверхности входного окна на небольшой угол θ, например θ=6° (~0.1 рад, на порядок увеличивается эффективная толщина конверторного слоя на пути нейтрона). Выбор величин a и θ определяют глубину детектора w из условиея перекрытия пластинок. Кроме того, величина а выбирается, исходя из длины пробега фрагментов реакции (1) в аргоне при атмосферном давлении, достигающей 5 мм для альфа-частиц при толщине конвертора 3 мкм. Ширина пластинок w выбирается из условия:In the figures: FIG. 1, 2, 3, presents the basic elements of the circuit and design of the inventive thermal and cold neutron detector of planar design, consisting of two detecting layers forming together a chevron. Here 1 is a cathode plate with a ¹⁰ V ₄ C boron carbide converter enriched with ¹⁰ V isotope enriched on both sides of it, in the form of a continuous layer; 2 - cathode plates with a ¹⁰ V ₄ C boron carbide converter applied on both sides in the form of strips (strips are applied through a stencil onto Al ₂ O ₃ alumina obtained by passivation of the substrate surface before boron carbide is deposited, as was done in (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). [9]; 3 - anode wires The gap between the anode and cathode is constant.The plates with the converter are spaced at the same distance a, for example, a = 5 mm, and are turned relative to the normal to the surface one window at a small angle θ, e.g. θ = 6 ° (~ 0.1 rad, in order of increasing the effective thickness of the converter layer onto the path neutron). Selection variables a and θ define the depth detector w of uslovieya overlapping plates. In addition, the value of a selected based on the mean free path of reaction fragments (1) in argon at atmospheric pressure reaching 5 mm for alpha particles with a converter thickness of 3 μm. The width of the plates w is selected from the condition:

при малом угле θ. Пластинки конвертора устанавливаются с небольшим перекрытием, исключающим "мертвые" зоны в апертуре детектора, и при а=5 мм,θ=6° ширина W>50 мм (в прототипе - 100 мм), для двух детектирующих слоев - 100 мм. at a small angle θ. The converter plates are installed with a slight overlap, eliminating the "dead" zones in the detector aperture, and at a = 5 mm, θ = 6 ° the width W> 50 mm (in the prototype - 100 mm), for two detection layers - 100 mm.

Как уже отмечалось, второй детектирующий слой - идентичный первому, но с отрицательным углом поворота θ конверторных пластинок-катодов и проволочек-анодов. При этом требуется, чтобы выполнялось условие: α_max<θ по, см. фиг. 1. В этом случае, например при α_max=3°, реальные углы входа нейтронов в конвертор будут изменяться от 3° до 9°, но средний угол в двух детектирующих слоях будет постоянным и равным

для любой координаты нейтрона.As already noted, the second detecting layer is identical to the first, but with a negative angle of rotation θ of the converter plate cathodes and wire anodes. In this case, it is required that the condition is satisfied: α _max <θ in, see FIG. 1. In this case, for example, at α _max = 3 °, the real angles of neutron entry into the converter will vary from 3 ° to 9 °, but the average angle in the two detection layers will be constant and equal

for any neutron coordinate.

В предложенной конструкции проволочные сетки изготавливаются намоткой вольфрамовой проволоки диаметром 15 мкм с заданным шагом и натяжением.In the proposed design, wire mesh is made by winding a tungsten wire with a diameter of 15 μm with a given pitch and tension.

Фиксация концов проволочек осуществляется пайкой и приклеиванием их к печатным ламелькам пластинки 8, выполненной из стеклотекстолита. Для уменьшения напряженности электрического поля на краях сетки первая и последняя проволочки сеток имеют больший диаметр. К концам пластинки 8 приклеиваются спэйсеры 9 так, чтобы при сборке дететора образовывался заданный шаг ячеек а. Проволочные сетки (фиг. 2а) располагаются между планками 10 с упором на пластинки 8, а пластинки с конвертором (фиг. 2б) вдвигаются в пазы планок 10. Сборка ячеек производится при θ=0°, а необходимый угол наклона θ=6° создается по окончании сборки сдвигом относительно друг друга направляющих планок 10, например на ±2.5 мм, с фиксацией их винтами в боковых стойках 6. Крепление элементов 1, 2, 3 двух детектирующих слоев выполнено вне активной области детектора без фронтальной перегородки 5, как показано на фиг. 3. Прогиб планок 10 под действием сил натяжения проволочек исключается соответствующим выбором ребра жесткости планки 10. Газовый объем корпуса замыкают окна 4 и стенки 11, в которые вмонтированы газовые трубки 7 для продува газовой смеси при атмосферном давлении, а герметичность корпуса обеспечивают резиновое кольцо 12, обжатое болтами 13.The fixation of the ends of the wires is carried out by soldering and gluing them to the printing lamellas of the plate 8, made of fiberglass. To reduce the electric field at the edges of the grid, the first and last wires of the grids have a larger diameter. Spacers 9 are glued to the ends of the plate 8 so that when the detector is assembled, a predetermined step of cells a is formed. Wire meshes (Fig. 2a) are located between the strips 10 with an emphasis on the plates 8, and the plates with a converter (Fig. 2b) are pushed into the grooves of the strips 10. The cells are assembled at θ = 0 °, and the required angle of inclination θ = 6 ° is created at the end of the assembly, by shifting the guide rails 10, for example, ± 2.5 mm relative to each other, fixing them with screws in the side posts 6. The elements 1, 2, 3 of the two detection layers were fixed outside the active region of the detector without a front wall 5, as shown in FIG. . 3. The deflection of the strips 10 under the influence of the tension forces of the wires is excluded by the appropriate choice of the stiffening ribs of the strip 10. The gas volume of the casing is closed by the windows 4 and walls 11 into which the gas tubes 7 are mounted to purge the gas mixture at atmospheric pressure, and the rubber ring 12 provides the casing bolted 13.

Предлагаемый детектор работает следующим образом. При захвате нейтрона ядром ¹⁰В один из фрагментов реакции (1), будучи заряженной частицей - ⁴Не или ⁷Li, при выходе в газ, например Ar(80%)СО₂(20%), ионизует последний, образуя на своем треке пары электрон-ион. При этом в зазоре анод-катод может образоваться значительный заряд - тысячи первичных электронов в указанной смеси при атмосферном давлении, т.к. имеет место значительное энерговыделение. При нулевом напряжении на катодах 1 и 2 и положительном напряжении на проволочках 3 первичные электроны дрейфуют к проволочкам. Вблизи поверхности тонкой проволочки образуется большая напряженность электрического поля (>20 кВ/см), и первичные электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации, которая происходит лавинообразно - умножение заряда. При этом длина свободного пробега электронов вторичной ионизации составляет несколько микрон. Таким образом, потребуется не более 10 микрон, чтобы образовался заряд, достаточный для его регистрации. Разделенные полем заряды вторичных электронов и положительных ионов наводят на проволочках и на катодах сигналы противоположной полярности (отрицательной на аноде и положительной на катоде). Номер сработавшей проволочки, расположенной вертикально, дает горизонтальную координату X, а номер сработавшего стрипа на катоде, расположенного горизонтально, - вертикальную координату Y. При этом доминирующий вклад в наведенный сигнал вносят положительные ионы, т.к. проходят значительный путь, а электронной компонентой можно пренебречь. Длительность наведенных импульсов на проволочках и катодах, определяет время дрейфа первичных электронов к проволочке, вблизи которой каждый первичный электрон создает лавину. Легко определить, что при скорости дрейфа электронов 20-50 мкм/нс в полузазоре а/2=2.5 мм, длительность фронта импульсов составит 50-100 не (за это время первичные электроны покинут зазор), а быстродействие детектора составит не менее 10⁶ с-1. Пространственное разрешение по Х-координате определяет произведение s⋅θ, где s - шаг проволочек 3 (фиг. 2а). Так, при s=8 мм и θ=6° среднеквадратичное значение составит

. Следует подчеркнуть, что это - предельное разрешение, реальное разрешение при регистрации "цетра тяжести" заряда, наведенного на нескольких проволочках одновременно, таким не будет, но 1 мм достижим. Если Y-координату определять методом деления тока (заряда) только на анодных проволочках или задержкой сигналов с их концов без введения стрипов на катодах, то тогда пространственное разрешение по Y-координате будет составлять 1-2 см, в ряде задач нейтронной физики это приемлемо. С введением стрипов 2 на одном из катодов ячейки (фиг. 2б) пространственное разрешение по Y-координате определяется шагом катодных стрипов. При шаге стрипов 4 мм среднеквадратичное значение составит ~1 мм. Возможны различные схемы электроники предлагаемого детектора. Одна из схем с относительно небольшим числом каналов электроники представлена на рисунке фиг. 4. Сигналы 14 с катодов со сплошным конвертором через усилители 15 и дискриминаторы 16 подключаются к программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) 19, при помощи которой определяется номер сработавшей ячейки. Для определения номера сработавшей проволочки соответствующие проволочки ячеек - все первые, все вторые и т.д. соединены впараллель, т.к. сработать может только одна ячейка. Каналы группы 17 -такие же, как группы 14. В группе 18 измеряется задержка импульсов на концах стрипов относительно сигнала 14 сработавшего катода. ПЛИС 19 по сигналам со всех электродов вырабатывает на выходах 20 и 21 координаты нейтрона X и Y в цифровом коде. Число каналов электроники зависит от размеров детектора, которые могут изменяться в широких пределах, от 200×200 мм² до 1×1 м² и др.The proposed detector operates as follows. When a neutron is captured by a ¹⁰ V nucleus, one of the fragments of reaction (1), being a charged particle — ⁴ He or ⁷ Li, when released into a gas, for example Ar (80%) CO ₂ (20%), ionizes the latter, forming pairs on its track electron ion. In this case, a significant charge can form in the anode-cathode gap — thousands of primary electrons in the indicated mixture at atmospheric pressure, because significant energy release takes place. With a zero voltage at the

cathodes

1 and 2 and a positive voltage at the wires 3, the primary electrons drift to the wires. Near the surface of a thin wire, a large electric field is formed (> 20 kV / cm), and the primary electrons acquire energy sufficient for secondary ionization, which occurs in an avalanche-like manner - multiplication of the charge. In this case, the mean free path of the secondary ionization electrons is several microns. Thus, it will take no more than 10 microns to form a charge sufficient for its registration. The charges of secondary electrons and positive ions separated by the field induce signals of opposite polarity (negative at the anode and positive at the cathode) on the wires and on the cathodes. The number of the triggered wire located vertically gives the horizontal coordinate X, and the number of the triggered strip on the cathode located horizontally gives the vertical coordinate Y. Positive ions make the dominant contribution to the induced signal, because go a long way, and the electronic component can be neglected. The duration of the induced pulses on the wires and cathodes determines the drift time of the primary electrons to the wire, near which each primary electron creates an avalanche. It is easy to determine that at an electron drift velocity of 20-50 μm / ns in the half-gap a / 2 = 2.5 mm, the pulse front duration will be 50-100 ns (during this time the primary electrons will leave the gap), and the detector speed will be at least 10 ⁶ s -one. The spatial resolution along the X-coordinate determines the product s⋅ θ, where s is the wire pitch 3 (Fig. 2 a ). So, at s = 8 mm and θ = 6 ° the rms value will be

. It should be emphasized that this is the ultimate resolution, the real resolution when registering the "center of gravity" of the charge induced on several wires simultaneously, this will not be, but 1 mm is achievable. If the Y coordinate is determined by dividing the current (charge) only on the anode wires or by delaying the signals from their ends without introducing strips on the cathodes, then the spatial resolution along the Y coordinate will be 1-2 cm, in a number of neutron physics problems this is acceptable. With the introduction of strips 2 at one of the cathodes of the cell (Fig. 2b), the spatial resolution in the Y coordinate is determined by the step of the cathode strips. With a stride pitch of 4 mm, the rms value will be ~ 1 mm. Various electronics circuits of the proposed detector are possible. One of the circuits with a relatively small number of electronics channels is shown in the figure of FIG. 4. The signals 14 from the cathodes with a solid converter through amplifiers 15 and discriminators 16 are connected to a programmable logic integrated circuit (FPGA) 19, by which the number of the triggered cell is determined. To determine the number of triggered wires, the corresponding wire delays of the cells are all first, all second, etc. connected in parallel, because only one cell can work. The channels of group 17 are the same as those of group 14. In group 18, the pulse delay at the ends of the strips is measured relative to the signal 14 of the triggered cathode. FPGA 19 on signals from all electrodes generates at the

outputs

20 and 21 the neutron coordinates X and Y in a digital code. The number of electronics channels depends on the size of the detector, which can vary over a wide range, from 200 × 200 mm ² to 1 × 1 m ² , etc.

Для оценки эффективности предлагаемого детектора тепловых и холодных нейтронов ограничимся вероятностью захвата нейтрона ядром ¹⁰В, для чего воспользуемся формулой:To assess the effectiveness of the proposed detector of thermal and cold neutrons, we restrict ourselves to the probability of neutron capture by a ¹⁰ V nucleus, for which we use the formula:

где N - концентрация атомов в см3 конверторного слоя, которая определяется отношением плотности вещества к его атомной массе, σ_п=3844 барн - сечение захвата теплового нейтрона ядром ¹⁰В, зависящее от длины волны нейтрона. Выберем угол θ=6° и случай двухслойного детектора типа "шеврон" с четырьмя сплошными конверторными слоями на пути нейтрона. Для нейтрона с энергией 0.025 эВ (

) получим при толщине конвертора 1, 2, 3 мкм ∈=0.63, 0.86, 0.95, соответственно.where N is the concentration of atoms in cm3 of the converter layer, which is determined by the ratio of the density of a substance to its atomic mass, σ _p = 3844 barn is the cross section for thermal neutron capture by a ¹⁰ V nucleus, which depends on the neutron wavelength. We choose the angle θ = 6 ° and the case of a two-layer chevron detector with four continuous converter layers on the neutron path. For a neutron with an energy of 0.025 eV (

) we obtain at a converter thickness of 1, 2, 3 μm ∈ = 0.63, 0.86, 0.95, respectively.

Для оценки эффективности при других длинах волн λ, отличных от λ₀, можно воспользоваться тем, что сечение пропорционально отношению λ/λ₀. Как видно, по вероятностям захвата теплового нейтрона ядром ¹⁰В эффективность предлагаемого детектора, работающего на простой газовой смеси Ar/СО₂ при атмосферном давлении на продув, может быть достаточно высокой: ∈(λ)=0.63 (

), 0.94 (

) при толщине конвертора 1 мкм и наклоне θ=6°. В прототипе, согласно[7], с толщиной конвертора 7.5 мкм и θ=5° ∈(λ)=0.39 (

), 0.65 (

) - здесь приведена полная эффективность с учетом как захвата, так и выхода ядер-фрагментов в газ. Очевидно, что в предлагаемом детекторе с толщиной конвертора 1 мкм, а не 7.5 мкм, вероятность выхода ядер-фрагментов в газ существенно выше.To evaluate the efficiency at the other wavelengths λ, λ other than _0, it is possible to use the fact that the cross section proportional to the ratio λ / λ _0. As can be seen, according to the probabilities of thermal neutron capture by a ¹⁰ V nucleus, the efficiency of the proposed detector operating on a simple gas mixture Ar / СО ₂ at atmospheric pressure for blowing can be quite high: ∈ (λ) = 0.63 (

), 0.94 (

) with a converter thickness of 1 μm and a slope of θ = 6 °. In the prototype, according to [7], with a converter thickness of 7.5 μm and θ = 5 ° ∈ (λ) = 0.39 (

), 0.65 (

) - full efficiency is given here, taking into account both capture and release of fragment nuclei into the gas. Obviously, in the proposed detector with a converter thickness of 1 μm rather than 7.5 μm, the probability of exit of the fragment nuclei into the gas is significantly higher.

Приведенные выше расчетные величины следует рассматривать, как предельные. Конверторы на основе карбида бора, обогащенного изотопом ¹⁰В, являются достаточно радиационно стойкими и выдерживают без морфологических нарушений структуры интегральные потоки нейтронов 10¹⁴ п/см2 [8].The calculated values given above should be considered as limiting. Converters based on boron carbide enriched in the ¹⁰ V isotope are sufficiently radiation resistant and can withstand without morphological structural disturbances the integrated neutron fluxes of 10 ¹⁴ p / cm2 [8].

ЛитератураLiterature

1. J. Fischer, V. Radeka, A. Boie. Position-sensitive detection of thermal neutrons. //Academic Press, 1983. p. 129.1. J. Fischer, V. Radeka, A. Boie. Position-sensitive detection of thermal neutrons. // Academic Press, 1983. p. 129.

2. V. Andreev, et al. Two-dimensional Detector of Thermal Neutrons. // Nucl. Instrum. and Methods A581 (2007), p. 123.2. V. Andreev, et al. Two-dimensional Detector of Thermal Neutrons. // Nucl. Instrum. and Methods A581 (2007), p. 123.

3. С.И. Поташев, А.И. Драчев. Позиционно-чувствительный детектор нейтронов.3. S.I. Potashev, A.I. Drachev. Position-sensitive neutron detector.

// Патент РФ №2282215 с приоритетом от 2004-07-01.// RF patent №2282215 with priority from 2004-07-01.

4. В. С.Литвин и др. Позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов с борным конвертором.4. V. S. Litvin et al. Position-sensitive wire-strip detector of thermal and cold neutrons with a boron converter.

// Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т 75, №2. С. 252.// Proceedings of the RAS. The series is physical. 2011. T 75, No. 2. S. 252.

5. М. Klein, С.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics.5. M. Klein, C.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC / FPGA based readout electronics .

// Nucl. Instrum. and Methods, A628 (2011), p. 9.// Nucl. Instrum. and Methods, A628 (2011), p. 9.

6. Zhehui Wang, C.L. Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons. // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011) 323-325.6. Zhehui Wang, C.L. Morris Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons. // Nucl. Instr. And meth. A652 (2011) 323-325.

7. F. Piscitelli, F. Messi, et al. The Multi-Blade Boron-10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS.7. F. Piscitelli, F. Messi, et al. The Multi-Blade Boron-10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS.

// arXiv: 1701.07623vl, 26 Jan 2017. - прототип// arXiv: 1701.07623vl, 26 Jan 2017. - prototype

8. С.

, et al. B4C thin films for neutron detection. // Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012.8. S.

, et al. B4C thin films for neutron detection. // Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012.

9. G. Albani, et al. Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters.9. G. Alban i , et al. Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters.

// Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9pp).// Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9pp).

Claims

1. Two-coordinate position-sensitive detector of thermal and cold neutrons, consisting of a sealed enclosure filled with a gas mixture, for example Ar (80%) / CO ₂ (20%), at atmospheric pressure on the purge, electrode systems - cathode and anode, which make up the cells placed at a certain step and combined into the first detecting layer, the cell cathode is an aluminum substrate plate with a thin film of boron carbide ¹⁰ B ₄ C deposited on its surface enriched up to 80% with ¹⁰ B isotope, and thin tungsten wires are anode , located between the plates, the plates rotated at a small angle relative to the normal to the surface of the detector input window, characterized in that a second detection layer identical to the first is introduced with the rotation angle of the plates changed to the opposite, with the formation of a chevron structure, while the plates with a continuous converter layer, deposited on both sides of the substrate, alternate with plates with a converter layer in the form of strips, deposited on both sides of a previously passivated substrate, with a shift of the latter their relation to the first layer of cells on the move.

2. The two-coordinate position-sensitive thermal and cold neutron detector according to claim 1, characterized in that the electrodes are connected through amplifiers and discriminators to a programmable logic integrated circuit (FPGA), while the wires of the same name are connected together at the input of the amplifiers.