RU183457U1 - Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons - Google Patents

Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons Download PDF

Info

Publication number
RU183457U1
RU183457U1 RU2018105200U RU2018105200U RU183457U1 RU 183457 U1 RU183457 U1 RU 183457U1 RU 2018105200 U RU2018105200 U RU 2018105200U RU 2018105200 U RU2018105200 U RU 2018105200U RU 183457 U1 RU183457 U1 RU 183457U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
plates
detector
ribs
thermal
Prior art date
Application number
RU2018105200U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Петрович Кащук
Ольга Васильевна Левицкая
Валерий Анатольевич Соловей
Андрей Владимирович Чуриков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Priority to RU2018105200U priority Critical patent/RU183457U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU183457U1 publication Critical patent/RU183457U1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области регистрации и измерения ядерных излучений. Двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов выполнен из газонаполненных проволочных камер, состоящих из набора пластин с клиновидными ребрами, на обе стороны которых нанесен слой карбида бора 10В4С, обогащенного изотопом 10В, выполняющий роль конвертора. Пластины с конвертором установлены в зазоре между проволочными камерами. Угол при вершине ребер пластин не более 20 градусов, вершины ребер на противоположных сторонах пластин смещены друг относительно друга, катодные проволочки камер ортогонально ориентированы относительно друг друга, а анодные проволочки камер соединены вместе. Технический результат – повышение эффективности детектора тепловых нейтронов при меньшем числе конверторных пластин и меньшем числе проволочных камер. 3 ил.

Figure 00000012
The utility model relates to the field of registration and measurement of nuclear radiation. A two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons is made of gas-filled wire chambers, consisting of a set of plates with wedge-shaped ribs, on both sides of which a layer of boron carbide 10 V 4 C enriched with an isotope 10 V is applied, acting as a converter. The plates with the converter are installed in the gap between the wire chambers. The angle at the apex of the plate ribs is not more than 20 degrees, the apex of the ribs on opposite sides of the plates are offset from each other, the cathode wires of the chambers are orthogonally oriented relative to each other, and the anode wires of the chambers are connected together. The technical result is an increase in the efficiency of a thermal neutron detector with fewer converter plates and fewer wire chambers. 3 ill.
Figure 00000012

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. Предложенное техническое решение может быть применено также в нейтронографии и других прикладных 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. The proposed technical solution can also be applied in neutron diffraction and other applied research.

Известны двухкоординатные тонкопленочные газонаполненные детекторы тепловых и холодных нейтронов, работающие на недорогих инертных газах и смесях на основе, например, аргона при атмосферном давлении на продув. В этих детекторах для захвата нейтронов используется тонкий слой изотопа бора 10В: [1] (Позиционно-чувствительный детектор нейтронов // Патент РФ №2282215); [2] (Позиционно-чувствительный проволочно-стриповый детектор тепловых и холодных нейтронов с борным конвертором // Известия РАН. Серия физическая. 2011, т. 75, №2, с. 252). Изотоп бора 10В характеризуется достаточно большим сечением захвата теплового нейтрона, σn=3840 барн для энергии нейтрона 0.025 эВ

Figure 00000001
При атмосферном давлении газа и работе на продув толщина стенок корпуса детектора может составлять доли миллиметра. Требования к материалам, дегазация из которых может отравлять газ в герметичном объеме детектора, существенно ниже, чем в гелиевом детекторе, работающем при высоком давлении.Known two-coordinate thin-film gas-filled detectors of thermal and cold neutrons operating on low-cost inert gases and mixtures based on, for example, argon at atmospheric pressure for blowing. In these detectors, a thin 10 V boron isotope layer is used to capture neutrons: [1] (Position-sensitive neutron detector // RF Patent No. 2282215); [2] (Position-sensitive wire-strip detector of thermal and cold neutrons with a boron converter // News of the Russian Academy of Sciences. Physical Series. 2011, v. 75, No. 2, p. 252). The boron isotope 10 V is characterized by a sufficiently large capture cross section of the thermal neutron, σ n = 3840 barn for a neutron energy of 0.025 eV
Figure 00000001
At atmospheric gas pressure and work on blowing, the thickness of the walls of the detector housing can be fractions of a millimeter. The requirements for materials, degassing of which can poison gas in the sealed volume of the detector, are significantly lower than in a helium detector operating at high pressure.

В результате захвата нейтрона ядром 10В образуется возбужденное ядро 11В, которое распадается на ядро лития 7Li и ядро гелия 4Не (альфа-частицу). Протекающие при захвате нейтрона 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 lithium nucleus and a 4 He helium nucleus (alpha particle). The reactions occurring during neutron capture are written as:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

В скобках указаны энергии продуктов распада и вероятности реакций. Образующиеся заряженные частицы-фрагменты 7Li и 4Не вылетают в противоположных направлениях анизотропно с углом между их траекториями равным 180°. Фрагменты теряют часть своей энергии внутри вещества конвертора, оставшаяся энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов газа при выходе фрагментов в рабочий объем детектора, что позволяет зарегистрировать сигналы.In parentheses are the energies of the decay products and the probabilities of the reactions. The resulting charged particles of fragments 7 Li and 4 Do not fly out in opposite directions anisotropically with an angle between their trajectories equal to 180 °. Fragments lose part of their energy inside the converter substance, the remaining energy is spent on the excitation and ionization of gas atoms when the fragments exit into the working volume of the detector, which makes it possible 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 указанных ядерных продуктов в веществе конвертора. Эта длина зависит от ядра и его энергии, плотности вещества и для бора хорошо известна и составляет: 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 конверторного слоя должна быть порядка 1-3 мкм. Можно показать, что при такой толщине конвертора эффективность регистрации нейтрона не больше 5%, что является недостатком. Таким образом, для получения высокой эффективности на пути нейтронов устанавливают по 10-20 пластин (К - в общем случае) с нанесенными на них тонкими пленками твердотельного конвертора, как это сделано в работах: [3] (М. Klein, С.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC/FPGA based readout electronics // Nucl. Instr. and Meth. A628 (2011), p. 9) и [4] (Zhehui Wang, C.L. Morris. Multi-layer boron thin-film detectors for neutrons // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011), p. 323). Это позволяет продуктам реакции (1) выходить в газ между пластинами и быть зарегистрированными с необходимой эффективностью.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 these nuclear products in the converter material. This length depends on the core and its energy, the density of the substance and for boron is well known and amounts to: 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 lithium nuclei 7 Li with an energy of 0.84 ( 1.01) MeV. From this it can be seen that the thickness of the converter layer should be about 1-3 μm. It can be shown that with such a converter thickness, the neutron detection efficiency is not more than 5%, which is a drawback. Thus, to obtain high efficiency, 10-20 plates (K in the general case) are installed on the neutron path with thin films of a solid-state converter deposited on them, as was done in [3] (M. Klein, C.J. Schmidt. CASCADE, neutron detectors for highest count rates in combination with ASIC / FPGA based readout electronics // Nucl. Instr. And Meth. A628 (2011), p. 9) and [4] (Zhehui Wang, CL Morris. Multi- layer boron thin-film detectors for neutrons // Nucl. Instr. And Meth. A652 (2011), p. 323). This allows the reaction products (1) to enter the gas between the plates and be registered with the necessary efficiency.

Наиболее близким по конструктивным признакам и технической сущности к предлагаемому решению является двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе карбида бора В4С, обогащенного изотопом 10В, описанный в работе [5] (I. Stefanescu, et al. Development of a novel macrostructured cathode for large-area neutron detectors based on the 10B-containing solid converter // Nucl. Instr. and Meth. A727 (2013) p. 109). Конверторы на основе карбида бора, обогащенного изотопом 10В, являются достаточно радиационно стойкими и выдерживают без морфологических нарушений структуры интегральные потоки нейтронов 1014 n/см2, см. ссылки [5].The closest in design features and technical nature to the proposed solution is a two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons based on boron carbide B 4 C enriched with 10 V isotope described in [5] (I. Stefanescu, et al. Development of a novel macrostructured cathode for large-area neutron detectors based on the 10B-containing solid converter // Nucl. Instr. and Meth. A727 (2013) p. 109). Converters based on boron carbide enriched in the 10 V isotope are sufficiently radiation resistant and can withstand morphological structural impairments integrated neutron fluxes of 10 14 n / cm 2 , see references [5].

Детектор-прототип с числом пластин - конверторов К=1 содержит два катода, причем один катод - алюминиевая пластина с нанесенным на нее тонким слоем конвертора из карбида бора 10В4С, обогащенного изотопом 10В, второй катод - проволочный, и проволочный анод, проволочки которого ориентированы ортогонально провоочкам катода. По номерам "сработавших" проволочек определяются две коодинаты нейтрона X и Y. Профиль пластины с конвертором в сечении имеет V-образную форму с множеством клиновидных ребер с углом при вершине 45° и с глубиной канавок 2 мм.The prototype detector with the number of plates = K = 1 converters contains two cathodes, and one cathode is an aluminum plate with a thin layer of a 10 V 4 C boron carbide converter enriched in it with a 10 V isotope, the second cathode is a wire one, and a wire anode, whose wires are oriented orthogonally to the cathode wires. By the numbers of the "triggered" wires, two neutron coordinates X and Y are determined. The profile of the plate with the converter in cross section is V-shaped with many wedge-shaped ribs with an angle at the apex of 45 ° and with a groove depth of 2 mm.

В качестве конвертора в детекторе-прототипе используется слой карбида бора толщиной 3 мкм, который нанесен на алюминиевую пластинку-подложку вакуумным напылением. Карбид бора имеет удельное сопротивление 10-3 Ом⋅м - на девять порядков меньше, чем у бора, что исключает накопление заряда на его поверхности, поэтому может служить электродом проволочной камеры.As a converter in the prototype detector, a layer of boron carbide 3 μm thick is used, which is deposited on an aluminum substrate plate by vacuum deposition. Boron carbide has a specific resistance of 10 -3 Ohm⋅m - nine orders of magnitude less than that of boron, which eliminates the accumulation of charge on its surface, and therefore can serve as an electrode of a wire chamber.

При регистрации нейтрона на его пути находится один слой тонкопленочного конвертора. В таком детекторе Х-координата может быть определена по номеру сработавшей анодной проволочки, а Y-координата - по номеру сработавшей катодной проволочки, ортогональной направлению анодной проволочки. В работе [5] показано, что эффективность регистрации холодных нейтронов с длиной волны

Figure 00000004
имеет максимум при толщине конвертора 3 мкм и составляет 12% для используемой клиновидной формы катода с углом при вершине ребер 45°, что на 40% больше, чем для плоского катода без ребер.When registering a neutron, one layer of a thin-film converter is in its path. In such a detector, the X coordinate can be determined by the number of the triggered anode wire, and the Y coordinate by the number of the triggered cathode wire, orthogonal to the direction of the anode wire. In [5], it was shown that the efficiency of detecting cold neutrons with a wavelength
Figure 00000004
has a maximum with a converter thickness of 3 μm and is 12% for the wedge-shaped cathode used with an angle at the apex of the ribs 45 °, which is 40% more than for a flat cathode without ribs.

Установка в камеру пластины с двухсторонним напылением конвертора для улучшения эффективности бессмысленное решение, т.к. фрагменты реакции (1) регистрируются только те, что выходят в рабочий объем камеры, т.е. с одной стороны пластины с конвертором (вторая сторона не работает). Установка же двух пластин с конвертором в качестве двух катодов камеры для улучшения эффективности исключает вторую координату, т.е. такое решение также неприемлемо.The installation of a plate with a double-sided spraying of a converter in the chamber for improving efficiency is a meaningless solution, because fragments of reaction (1) are recorded only those that go into the working volume of the chamber, i.e. on one side of the plate with the converter (the second side does not work). The installation of two plates with a converter as two cathodes of the chamber to improve efficiency eliminates the second coordinate, i.e. such a decision is also unacceptable.

При числе пластин с конвертором К>1 для увеличения эффективности регистрации тепловых и холодных нейтронов в детекторе-прототипе используется К проволочных камер. Для эффективности 50%, как показано в работе [6], требуется 10 слоев и 10 камер. Следует подчеркнуть, что при других длинах волн λ, отличных от λ0, сечение захвата нейтрона ядром 10В пропорционально отношению λ/λ0, значит для тепловых нейтронов с меньшей длиной волны

Figure 00000005
эффективность с 50% уменьшится до 20%. Значит, чтобы вернуть эффективность на прежний уровень 50%, число слоев конвертора и число камер необходимо увеличить до 26. Это является существенным недостатком прототипа - требуется слишком много проволочных камер для получения высокой эффективности детектирования тепловых нейтронов. Увеличение числа пластин и камер приводит к увеличению вещества на пути нейтронов и к ослаблению потока нейтронов, что нежелательно.When the number of plates with a converter K> 1, K wire cameras are used to increase the detection efficiency of thermal and cold neutrons in the prototype detector. For an efficiency of 50%, as shown in [6], 10 layers and 10 chambers are required. It should be emphasized that at other wavelengths λ other than λ 0 , the neutron capture cross section of a 10 V nucleus is proportional to the ratio λ / λ 0 , which means that for thermal neutrons with a shorter wavelength
Figure 00000005
efficiency from 50% will decrease to 20%. This means that in order to return the efficiency to the previous level of 50%, the number of converter layers and the number of chambers must be increased to 26. This is a significant drawback of the prototype — too many wire chambers are required to obtain high thermal neutron detection efficiency. An increase in the number of plates and chambers leads to an increase in matter along the neutron path and to a weakening of the neutron flux, which is undesirable.

Техническим эффектом заявляемой полезной модели является повышение эффективности детектора тепловых нейтронов при меньшем числе конверторных пластин и меньшем числе проволочных камер.The technical effect of the claimed utility model is to increase the efficiency of the thermal neutron detector with fewer converter plates and fewer wire chambers.

Технический эффект достигается тем, что в двухкоординатном тонкопленочном газонаполненном детекторе тепловых и холодных нейтронов, состоящем из набора К (К≥1) пластин с клиновидными ребрами с нанесенным на их поверхность тонкопленочным покрытием карбида бора 10В4С, обогащенного изотопом 10В, выполняющем роль конвертора, при этом пластины одновременно являются электродами газонаполненных проволочных камер с двумя рядами ортогонально ориентированных проволочек в каждой камере и с рабочим газом при атмосферном давлении на продув, новым является то, пластины с конвертором установлены в зазоры между К+1 камерами, конвертор нанесен на обе стороны пластин, угол при вершине ребер не более 20 градусов, вершины ребер на противоположных сторонах пластин смещены друг относительно друга, катодные проволочки камер ортогонально ориентированы относительно друг друга, а анодные проволочки камер соединены вместе.The technical effect is achieved by the fact that in a two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons, consisting of a set of K (K≥1) plates with wedge-shaped ribs with a thin film coating of 10 V 4 C boron carbide enriched with 10 V, playing the role of converter, while the plates are simultaneously electrodes of gas-filled wire chambers with two rows of orthogonally oriented wires in each chamber and with working gas at atmospheric pressure for blowing, are new is that plates with a converter are installed in the gaps between K + 1 cameras, the converter is applied on both sides of the plates, the angle at the top of the ribs is not more than 20 degrees, the tops of the ribs on opposite sides of the plates are offset from each other, the cathode wires of the chambers are orthogonally oriented relative to each other and the anode wires of the cameras are connected together.

Предложенный детектор отличается тем, что при равной суммарной толщине конверторного слоя, созданного на К пластинах, в детекторе-прототипе 2К камер, а в предлагаемом детекторе К+1 камера. В прототипе используется односторонний конвертор, а в предлагаемом детекторе - двухсторонний, что повышает эффективность при меньшем числе пластин и камер. Кроме того, уменьшение угла при вершинах ребер в предлагаемом детекторе увеличивает эффективную толщину конверторного слоя, которую пересекает нейтрон согласно:The proposed detector is characterized in that for an equal total thickness of the converter layer created on K plates, the prototype detector has 2K cameras, and the proposed K + 1 detector has a camera. The prototype uses a one-sided converter, and in the proposed detector - two-sided, which increases efficiency with fewer plates and cameras. In addition, reducing the angle at the vertices of the ribs in the proposed detector increases the effective thickness of the Converter layer, which crosses the neutron according to:

Figure 00000006
Figure 00000006

где d - физическая толщина пленки конвертора на пластине, θ - угол, под которым нейтрон входит в пленку конвертора. Так, при θ=10° и d=3 мкм dэф=17 мкм, в 5.7 раз больше. Смещение вершин ребер на противоположных сторонах пластин в предлагаемом детекторе также приводит к увеличению эффективности, т.к. на вершинах эффективность падает.where d is the physical thickness of the converter film on the plate, θ is the angle at which the neutron enters the converter film. So, at θ = 10 ° and d = 3 μm, d eff = 17 μm, 5.7 times more. The displacement of the vertices of the ribs on opposite sides of the plates in the proposed detector also leads to an increase in efficiency, because on the peaks, efficiency drops.

Ребра на пластинах предлагаемого детектора можно выполнить по технологии послойного спекания нанопорошка алюминия лазерным лучом. Это делается на 3D-принтере по заданной цифровой модели. Отметим в качестве примера, что послойное разрешение 3D-принтера типа X line 1000R, см. http://3dtoday.ru/3d-printers/concept-laser/x-line-1000r/, составляет 20 мкм; этого разрешения достаточно для изготовления подложки с различными профилями. Скорость печати составляет 10-100 см3/час, а максимальный размер печатаемых деталей достигает 630×400×500 мм. В нашем случае это соответствует размерам пластины-подложки 630×400 мм2. Объем материала, расходуемого на изготовление одной подложки с высотой ребер 1 мм, составляет 25 см3, значит на изготовление одной подложки потребуется не более одного часа. Технология 3D-печати бурно развивается в мире и приведенные характеристики по разрешению и скорости печати могут улучшиться, значит угол при вершинах ребер, оределяющий эффективность детектора, - уменьшиться.The ribs on the plates of the proposed detector can be performed by the technology of layer-by-layer sintering of aluminum nanopowder with a laser beam. This is done on a 3D printer according to a given digital model. As an example, we note that the layered resolution of a 3D printer of the X line 1000R type, see http://3dtoday.ru/3d-printers/concept-laser/x-line-1000r/, is 20 microns; this resolution is sufficient for the manufacture of a substrate with various profiles. The printing speed is 10-100 cm 3 / hour, and the maximum size of the printed parts reaches 630 × 400 × 500 mm. In our case, this corresponds to the size of the substrate plate 630 × 400 mm 2 . The volume of material spent on the manufacture of one substrate with a height of ribs of 1 mm is 25 cm 3 , which means that it will take no more than one hour to produce one substrate. 3D printing technology is developing rapidly in the world and the above characteristics for resolution and print speed can improve, so the angle at the tops of the edges, which determines the efficiency of the detector, can decrease.

Предложенный детектор устроен следующим образом. Рассмотрим простейший вариант детектора с одной пластиной (К=1), на которую с двух сторон нанесен тонкопленочный конвертор из карбида бора 10В4С, см. рисунок Фиг. 1. В герметичном и заполненном рабочей газовой смесью на основе аргона корпусе 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, обеспечивающими продув смеси при атмосферном давлении, пластина с конвертором 4 вставлена в зазор между двумя проволочными камерами (К+1=2). Камеры имеют анодные 5 и катодные 6 и 7 проволочные электроды. Проволочки электродов припаяны к печатным ламелям рамок из стеклотекстолита, места пайки, как и вещество рамок, расположены вне пучка нейтронов.The proposed detector is arranged as follows. Consider the simplest version of the detector with one plate (K = 1), on which a thin-film converter of boron carbide 10 V 4 C is applied on both sides, see the figure of FIG. 1. In a sealed housing filled with a working gas mixture based on argon based on argon 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles providing purging of the mixture at atmospheric pressure, a plate with converter 4 is inserted into the gap between two wire chambers (K + 1 = 2). The cameras have anode 5 and cathode 6 and 7 wire electrodes. The wires of the electrodes are soldered to the printing lamellas of the frames made of fiberglass, the place of soldering, as well as the substance of the frames, are located outside the neutron beam.

На рисунке Фиг. 2 представлен обобщенный вариант детектора с К пластинами с нанесенными на них с двух сторон тонкопленочными конверторами и К+1 проволочными камерами. Пластины с конвертором вставлены в зазоры между камерами.In the figure of FIG. Figure 2 shows a generalized version of the detector with K plates with thin-film converters and K + 1 wire cameras deposited on both sides of them. Plates with a converter are inserted into the gaps between the cameras.

На рисунках Фиг. 3 в увеличенном масштабе приведены возможные профили пластин-подложек с клинообразными ребрами, выполненными по технологии 3D-печати, на которые тонкопленочный конвертор из карбида бора нанесен с двух сторон пластин: равнобедренный треугольник в профиль, многократно "напечатанный" 3D-принтером вместе с пластиной (а) - как в прототипе; треугольник многократно напечатанный 3D-принтером вместе с пластиной, но со смещением вершин на противоположных сторонах (б, в, г), напечатанный на листовом основании сначала с одной стороны листа, а затем с противоположной; неравнобедренный треугольник (г), напечатанный на листовом основании.In the figures of FIG. Figure 3 shows, on an enlarged scale, possible profiles of wafer-shaped substrates with wedge-shaped ribs made using 3D printing technology, on which a thin-film boron carbide converter is applied on both sides of the wafers: an isosceles triangle in profile, repeatedly "printed" by a 3D printer together with the wafer ( a) - as in the prototype; a triangle repeatedly printed by a 3D printer together with a plate, but with the displacement of the vertices on opposite sides (b, c, d), printed on a sheet base, first on one side of the sheet, and then on the opposite side; non-isosceles triangle (g) printed on a sheet base.

На рисунке Фиг. 3 (д) показано, что гранулярность 3D-печати 20 мкм позволяет получить необходимую форму ребра с углом при вершине 2θ~20° (а при усовершенствованной 3D-печати - и 2θ~10°). Жирной линией показан идеальный случай, когда пленка конвертора нанесена равномерно. В реальности на "гранулированной" поверхности слой нанесенного карбида бора может быть волнистым и неравномерным по толщине. Чем выше разрешение 3D-печати, тем ближе к идеальному будет слой конвертора.In the figure of FIG. Figure 3 (e) shows that the granularity of 3D printing of 20 μm makes it possible to obtain the desired rib shape with an angle at the vertex of 2θ ~ 20 ° (and with advanced 3D printing, even 2θ ~ 10 °). The bold line shows the ideal case when the converter film is applied evenly. In reality, on a “granular” surface, a layer of deposited boron carbide can be wavy and uneven in thickness. The higher the resolution of 3D printing, the closer the converter layer will be to the ideal.

В работе [5] моделировалось неравномерное напыление на ребристую V-образную поверхность подложки с углом при вершине 2θ-45° (прототип) и показано, в том числе экспериментально, что неоднородность напыления карбида бора практически не сказывается на эффективности детектора.In [5], an uneven deposition was simulated on a ribbed V-shaped surface of a substrate with an angle at an apex of 2θ-45 ° (prototype) and it was shown, including experimentally, that the inhomogeneity of boron carbide deposition practically does not affect the detector efficiency.

На Фиг. 1 изображен простейший двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов, состоящий из одной (К=1) пластины с клиновидными ребрами с нанесенным на ее поверхность с обеих сторон тонкопленочным покрытием из карбида бора 10В4С, обогащенного изотопом выполняющим роль конвертора, и двух проволочных камер (К+1=2) с рабочим газом при атмосферном давлении на продув, при этом пластина с конвертором служит общим дрейфовым электродом для двух камер, т.к. вставлена между камерами.In FIG. 1 shows the simplest two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons, consisting of one (K = 1) plate with wedge-shaped ribs with a thin film coating of boron carbide 10 V 4 C enriched with an isotope acting as a converter and deposited on both sides of it wire chambers (K + 1 = 2) with working gas at atmospheric pressure for blowing, while the plate with the converter serves as a common drift electrode for two chambers, because inserted between cameras.

Здесь 1 - герметичный корпус, 2 и 3 - патрубки для входа и выхода газа при работе на продув, 4 - пластина с конверторным слоем, нанесенным с обеих сторон, 5 - анодные проволочки камеры, 6 и 7 - катодные проволочки для определения X и Y координат.Here 1 is a sealed housing, 2 and 3 are nozzles for gas inlet and outlet when working on a purge, 4 is a plate with a converter layer deposited on both sides, 5 are the anode wires of the chamber, 6 and 7 are the cathode wires for determining X and Y coordinates.

На рисунке Фиг. 2 изображен двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов, состоящий из К пластин с двухсторонним конвертором и К+1 камерой.In the figure of FIG. 2 shows a two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons, consisting of K plates with a two-sided converter and K + 1 camera.

На рисунке Фиг. 3 (а, б, в, г) в увеличенном масштабе приведены возможные профили пластин-подложек с клинообразными ребрами, выполненными по технологии 3D-печати, на которые тонкопленочный конвертор из карбида бора нанесен с двух сторон пластин. На рисунке Фиг. 3 а показан профиль пластины, совпадающей с прототипом, но напыленный с двух сторон конвертором и с меньшим углом при вершинах ребер, а на остальных - показан новый профиль пластин, отличающийся от прототипа дополнительно еще и сдвигом вершин ребер. На рисунке Фиг. 3 (д) показано, что гранулярность 3D-печати 20 мкм позволяет получить необходимую форму ребра с углом при вершине 2θ~20°.In the figure of FIG. Figure 3 (a, b, c, d) shows, on an enlarged scale, the possible profiles of wafer-shaped substrates with wedge-shaped ribs made using 3D printing technology, on which a thin-film converter of boron carbide is applied on both sides of the wafers. In the figure of FIG. Figure 3a shows a profile of a plate that coincides with the prototype, but sprayed on both sides with a converter and with a smaller angle at the vertices of the ribs, and on the others a new profile of plates is shown, which differs from the prototype in addition by also shifting the vertices of the ribs. In the figure of FIG. Figure 3 (e) shows that the granularity of 3D printing of 20 μm makes it possible to obtain the necessary shape of an edge with an angle at the vertex of 2θ ~ 20 °.

Количество вещества пластины-подложки, выполненной из алюминия толщиной ~1 мм, практически не сказывается на характеристиках детектора, главное, чтобы на пути нейтронов не было водород-содержащего органического вещества, сильно рассеивающего нейтроны. Проволочные камеры, если их немного, обладают высокой прозрачностью и мало вносят вещества в пучок нейтронов: анодные электроды выполнены из проволочек золоченого вольфрама, диаметр которых 15-30 мкм при шаге 2 мм, катодные электроды могут быть выполнены из таких же проволочек золоченого вольфрама или нержавеющей стали с шагом 1-2 мм. Атмосферное давление рабочего газа и работа на продув позволяют делать окна детектора тонкими - доли миллиметра (в детекторах с гелием при давлении 5-10 атм толщина окон достигает 10-20 мм).The amount of substance of the substrate plate made of aluminum with a thickness of ~ 1 mm practically does not affect the characteristics of the detector, the main thing is that there should be no hydrogen-containing organic substance in the neutron path that scatters neutrons strongly. If there are few of them, the wire chambers are highly transparent and contribute little to the neutron beam: the anode electrodes are made of gilded tungsten wires with a diameter of 15-30 μm at a pitch of 2 mm, the cathode electrodes can be made of the same gilded tungsten wires or stainless steel in increments of 1-2 mm. Atmospheric pressure of the working gas and work on the purge allow making the detector windows thin - fractions of a millimeter (in detectors with helium at a pressure of 5-10 atm, the thickness of the windows reaches 10-20 mm).

Предложенный двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов работает следующим образом. Электроны первичной ионизации появляются при выходе в газ сильно-ионизирующих фрагментов: альфа-частицы или ядра лития, реакция (1). Пластины с конвертором 4 являются общими дрейфовыми электродами двух смежных проволочных камер, а зазоры между пластинами и проволочными катодами - дрейфовыми зазорами, позволяющими транспортировать первичные электроны из этих зазоров электрическим полем с напряженностью 100-200 В/см в рабочий объем одной из камер. На пластину с конвертором 4 (карбид бора - проводящий материал) подается нулевой потенциал (земля), а на катоды -6, 7, например, +100 В. Приложенный потенциал на анодных проволочках 5 выбирается более положительным и может составлять 1-2 кВ. В окрестности анодных проволочек в сильном электрическом поле, превышающем 20 кВ/см, возникает лавинное умножение электронов - вторичная ионизация. Число первичных электронов в зазоре камеры зависит от энергии вышедшего в газ фрагмента и может составлять несколько тысяч, поэтому в камере достаточно создать усиление порядка 100 для надежной регистации сигналов современной электроникой. Движущийся заряд положительных ионов, который образуется в окрестности анодной проволочки, индуцирует сигналы как на аноде, так и на обеих катодах в той камере, куда были транспортированы первичные электроны. Особенность детектора, заключающаяся в том, что захват нейтрона ядром бора происходит только в одном из 2К слоев, где К - число конверторных пластин. Следовательно, первичный заряд попадет только в одну из К+1 камер. Эта особенность позволяет объединить анодные проволочки всех камер вместе в один канал электроники - управляющий (чего нельзя сделать в прототипе), а катодные проволочки соединить последовательно в каждой катодной плоскости 6 (Х-координата) и 7 (Y-координата). Такое техническое решение позволяет существенно уменьшить число каналов электроники. В предложенной конструкции детектора пластины с конвертором (дрейфовые электроды) находятся под нулевым потенциалом. Они просто вставляются в зазоры с шириной, например, 5 мм между проволочными камерами, и их устанавливается столько, сколько нужно в конкретной комплектации для эффективной регистрации нейтронов с заданной длиной волны.The proposed two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons works as follows. Primary ionization electrons appear when strongly ionizing fragments exit into the gas: alpha particles or lithium nuclei, reaction (1). The plates with converter 4 are common drift electrodes of two adjacent wire chambers, and the gaps between the plates and wire cathodes are drift gaps that allow the primary electrons from these gaps to be transported by an electric field with a voltage of 100-200 V / cm to the working volume of one of the chambers. Zero potential (earth) is supplied to the plate with converter 4 (boron carbide - conductive material), and to the cathodes -6, 7, for example, +100 V. The applied potential on the anode wires 5 is chosen more positive and can be 1-2 kV. In the vicinity of the anode wires in a strong electric field exceeding 20 kV / cm, an avalanche electron multiplication occurs - secondary ionization. The number of primary electrons in the chamber gap depends on the energy of the fragment released into the gas and can amount to several thousand, therefore it is enough to create an amplification of the order of 100 in the chamber for reliable registration of signals by modern electronics. The moving charge of positive ions, which is formed in the vicinity of the anode wire, induces signals both at the anode and at both cathodes in the chamber where the primary electrons were transported. The detector feature is that neutron capture by a boron nucleus occurs only in one of the 2K layers, where K is the number of converter plates. Therefore, the primary charge will fall into only one of the K + 1 cameras. This feature allows you to combine the anode wires of all the cameras together into one electronics channel - the control (which cannot be done in the prototype), and connect the cathode wires in series in each cathode plane 6 (X-coordinate) and 7 (Y-coordinate). This technical solution can significantly reduce the number of electronics channels. In the proposed detector design, plates with a converter (drift electrodes) are at zero potential. They are simply inserted into the gaps with a width of, for example, 5 mm between the wire chambers, and they are installed as many as are needed in a specific configuration for the effective detection of neutrons with a given wavelength.

Для оценки эффективности предлагаемого тонкопленочного детектора тепловых и холодных нейтронов ограничимся вероятностью захвата нейтрона ядром 10В, для чего воспользуемся формулой:To assess the effectiveness of the proposed thin-film 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:

Figure 00000007
Figure 00000007

где N - концентрация атомов в 1 см3 конверторного слоя, которая определяется отношением плотности вещества к его атомной массе, σn=3840 барн - сечение захвата теплового нейтрона с энергией 0.025 эВ

Figure 00000008
ядром 10В. Предполагается, что вероятность выхода фрагментов реакции (1) из пленки конвертора в газ близка к единице, поэтому приведенные здесь расчетные величины следует рассматривать, как предельные. В таблицу сведены вероятности захвата ядром 10В нейтрона с различной длиной волны для разных случаев комплексирования детектора с числом конверторных пластин К=1, 2, 3 и 4, с толщиной слоя 3 мкм, при различных углах при вершине ребер 2θ. Из таблицы видно, насколько эффективен предложенный детектор в сравнении с прототипом (2θ=45°). Заметим, что для эффективной регистрации холодных нейтронов с
Figure 00000009
в предлагаемом детекторе может быть всего одна пластина (K=1). Для регистрации тепловых нейтронов с эффективностью выше 50% необходимо минимум 3 слоя (K=3) при 2θ=20°. С уменьшением угла 2θ до 10° при совершенствовании технологии 3D-печати число пластин уменьшается до К=2.where N is the concentration of atoms in 1 cm 3 of the converter layer, which is determined by the ratio of the density of a substance to its atomic mass, σ n = 3840 barn is the capture cross section of a thermal neutron with an energy of 0.025 eV
Figure 00000008
with a core of 10 V. It is assumed that the probability of exit of reaction fragments (1) from the converter film to gas is close to unity, therefore, the calculated values given here should be considered as limiting. The table summarizes the probabilities of a 10 V nucleus capturing a neutron with a different wavelength for different cases of complexing the detector with the number of converter plates K = 1, 2, 3, and 4, with a layer thickness of 3 μm, at different angles at the tip of the edges 2θ. The table shows how effective the proposed detector in comparison with the prototype (2θ = 45 °). Note that for the effective detection of cold neutrons with
Figure 00000009
in the proposed detector there can be only one plate (K = 1). To register thermal neutrons with an efficiency above 50%, a minimum of 3 layers (K = 3) at 2θ = 20 ° is required. With a decrease in the angle 2θ to 10 ° with the improvement of 3D printing technology, the number of plates decreases to K = 2.

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Как уже отмечалось, новизна детектора в том, что конвертор нанесен на обе стороны пластин, а также в том, что треугольный профиль V-образных ребер может быть разным, не только таким, как в прототипе - равнобедренный треугольник с углом при вершине 2θ=45°, но с меньшими углами, с разными сторонами, с меньшей высотой h и шагом s ребер (эти величины связаны соотношением: h≈s/θ). При этом вершины ребер на противоположных сторонах подложки смещены, например, на четверть шага, в отличие от прототипа. Если пучок нейтронов имеет расходимость ±α (α<θ), то при наличии противоположно направленных склонов с тонкопленочным конвертором создается эффект «шеврона», как и в детекторе-прототипе, и усредняется угол входа нейтрона в конвертор. Смещение ребер на противоположных сторонах подложки повышает эффективность регистрации нейтронов по сравнению с прототипом, т.к. на вершинах ребер эффективность снижается [5].As already noted, the novelty of the detector is that the converter is applied on both sides of the plates, and also that the triangular profile of V-shaped ribs can be different, not only the prototype is an isosceles triangle with an angle at the vertex of 2θ = 45 °, but with smaller angles, with different sides, with a smaller height h and step s of the ribs (these values are related by the relation: h≈s / θ). In this case, the vertices of the ribs on opposite sides of the substrate are displaced, for example, by a quarter of a step, in contrast to the prototype. If the neutron beam has a divergence of ± α (α <θ), then in the presence of oppositely directed slopes with a thin-film converter, the chevron effect is created, as in the prototype detector, and the angle of entry of the neutron into the converter is averaged. The displacement of the edges on opposite sides of the substrate increases the efficiency of neutron registration in comparison with the prototype, because on the tops of the ribs, the efficiency decreases [5].

Толщина детектора по пучку в предложенной конструкции в варианте четырех конверторных слоев (см. таблицу 1) составляет 5-6 см. Это при равных эффективностях существенно меньше, чем в детекторе-прототипе с 26 камерами.The thickness of the beam detector in the proposed design in the variant of four converter layers (see table 1) is 5-6 cm. This is substantially less with equal efficiencies than in the prototype detector with 26 cameras.

Claims (1)

Двухкоординатный тонкопленочный газонаполненный детектор тепловых и холодных нейтронов, состоящий из набора К (K≥1) пластин с клиновидными ребрами с нанесенным на их поверхность тонкопленочным покрытием карбида бора 10B4C, обогащенного изотопом 10В, выполняющим роль конвертора, при этом пластины одновременно являются электродами газонаполненных проволочных камер с двумя рядами ортогонально ориентированных проволочек в каждой камере и с рабочим газом при атмосферном давлении на продув, отличающийся тем, что пластины с конвертором установлены в зазоры между К+1 камерами, конвертор нанесен на обе стороны пластин, угол при вершине ребер не более 20 градусов, вершины ребер на противоположных сторонах пластин смещены друг относительно друга, катодные проволочки камер ортогонально ориентированы относительно друг друга, а анодные проволочки камер соединены вместе.A two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons, consisting of a set of K (K≥1) plates with wedge-shaped ribs with a thin film coating of 10 B 4 C boron carbide enriched with a 10 V isotope acting as a converter, while the plates are simultaneously electrodes of gas-filled wire chambers with two rows of orthogonally oriented wires in each chamber and with working gas at atmospheric pressure for blowing, characterized in that the plates with a converter the gaps between the K + 1 cameras, the converter is applied to both sides of the plates, the angle at the top of the ribs is not more than 20 degrees, the tops of the ribs on opposite sides of the plates are offset from each other, the cathode wires of the cameras are orthogonally oriented relative to each other, and the anode wires of the cameras are connected together.
RU2018105200U 2018-02-12 2018-02-12 Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons RU183457U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105200U RU183457U1 (en) 2018-02-12 2018-02-12 Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105200U RU183457U1 (en) 2018-02-12 2018-02-12 Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU183457U1 true RU183457U1 (en) 2018-09-24

Family

ID=63671330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018105200U RU183457U1 (en) 2018-02-12 2018-02-12 Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU183457U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU194689U1 (en) * 2019-09-06 2019-12-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Two-coordinate thermal and cold neutron detector with a 3He2 gas converter
RU194967U1 (en) * 2019-09-06 2020-01-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Two-coordinate thermal and cold neutron detector based on a 3He2 / CF4 binary mixture
RU2816244C1 (en) * 2023-10-02 2024-03-27 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Position-sensitive detector of thermal and cold neutrons from compact analysed sample

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU19930U1 (en) * 2001-03-29 2001-10-10 Институт ядерных исследований РАН TWO-ORDER POSITIONAL-SENSITIVE NEUTRON DETECTOR
US20170074994A1 (en) * 2012-11-14 2017-03-16 Integrated Sensors, Llc Microcavity plasma panel radiation detector
RU174185U1 (en) * 2017-04-04 2017-10-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова" TWO-ORDER POSITION-SENSITIVE DETECTOR OF HEAT AND COLD NEUTRONS

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU19930U1 (en) * 2001-03-29 2001-10-10 Институт ядерных исследований РАН TWO-ORDER POSITIONAL-SENSITIVE NEUTRON DETECTOR
US20170074994A1 (en) * 2012-11-14 2017-03-16 Integrated Sensors, Llc Microcavity plasma panel radiation detector
RU174185U1 (en) * 2017-04-04 2017-10-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова" TWO-ORDER POSITION-SENSITIVE DETECTOR OF HEAT AND COLD NEUTRONS

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
I. Stefanescu, et al. Development of a novel macrostructured cathode for large-area neutron detectors based on the 10B-containing solid converter. Nucl. Instr. and Meth. A727 (2013) p. 109. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU194689U1 (en) * 2019-09-06 2019-12-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Two-coordinate thermal and cold neutron detector with a 3He2 gas converter
RU194967U1 (en) * 2019-09-06 2020-01-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Two-coordinate thermal and cold neutron detector based on a 3He2 / CF4 binary mixture
RU2816244C1 (en) * 2023-10-02 2024-03-27 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Position-sensitive detector of thermal and cold neutrons from compact analysed sample

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20170322326A1 (en) Plasma panel based ionizing-particle radiation detector
Charpak et al. Micromegas, a multipurpose gaseous detector
Sauli Micro-pattern gas detectors
US10732306B2 (en) Slow neutron detection device
US20060056573A1 (en) Micro neutron detectors
US10126440B2 (en) Slow neutron conversion body and slow neutron detector
CN107091851B (en) Large-area X-ray gas detector
RU183457U1 (en) Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons
RU174185U1 (en) TWO-ORDER POSITION-SENSITIVE DETECTOR OF HEAT AND COLD NEUTRONS
Margato et al. Boron-10 lined RPCs for sub-millimeter resolution thermal neutron detectors: Conceptual design and performance considerations
Pan et al. High detection efficiency neutron sensitive microchannel plate
Muraro et al. MBGEM: a stack of borated GEM detector for high efficiency thermal neutron detection
Fang et al. Research on a neutron detector with a boron-lined honeycomb neutron converter
Hoch Trends and new developments in gaseous detectors
Nappi Advances in charged particle identification techniques
Drouart et al. A gas secondary electron detector
Tessarotto Status and perspectives of gaseous photon detectors
RU194967U1 (en) Two-coordinate thermal and cold neutron detector based on a 3He2 / CF4 binary mixture
Titov Gaseous Detectors: recent developments and applications
Titov Gaseous Detectors
Doan Thermal neutron detector based on hexagonal boron nitride
Belushkin Modern trends in the development of position sensitive neutron detectors for condensed matter research
Kaminski Micropattern gas detectors
da Luz et al. Characterization of multilayer Thick-GEM geometries as 10B converters aiming thermal neutron detection
Variale Neutron Imager and Flux Monitor Based on Micro Channel Plates (MCP) in Electrostatic Mirror Configuration