RU194689U1 - Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конвертором 3Не2 - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области регистрации тепловых и холодных нейтронов (т.х.н.) и предназначена для исследования структуры вещества в физике конденсированного состояния путем регистрации дифракционных спектров, а также в нейтронографии и других прикладных исследованиях.Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конверторомНесодержит герметичный корпус с рабочим (конверсионным) зазором, образованным между входным и выходным окном, заполненный под давлением газовой смесьюНес многоатомной добавкой, в котором размещены газовый электронный умножитель (ГЭУ) и система считывания координат, причем используются ГЭУ колодезного типа с резистивным электродом, выполненным из алмазоподобного углерода (АПУ) и образующим вместе с системой считывания координатной информации одну гибкую многослойную плату, размещенную на внутренней поверхности выходного окна герметичного корпуса.АПУ нанесен на печатную проводящую решетку, причем печатные проводники решетки размещены между отверстиями, шаг решетки выбран кратным шагу отверстий ГЭУ и предельно малым, например, 0.5 мм при шаге отверстий 0.5 мм, а считывающие стрипы размещены напротив отверстий ГЭУ.Форма выходного окна детектора выполнена сферической с радиусом, например, 1 м, а размещенная на ее внутренней поверхности плата принимает форму окна.Технический эффект - повышение надежности детектора. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Полезная модель относится к области регистрации тепловых и холодных нейтронов (т.х.н.) и предназначена для исследования структуры вещества в физике конденсированного состояния путем регистрации дифракционных спектров, а также в нейтронографии и других прикладных исследованиях.

Изотоп ³Не₂ является наилучшим газовым конвертором, который характеризуется большим сечением захвата теплового нейтрона с энергией Ет=kT=0.0253 эВ и длиной волны

где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Сечение захвата холодных нейтронов увеличивается пропорционально длине волны λ/λ₀.

Реакция захвата нейтрона ядром гелия сопровождается рождением двух заряженных частиц - тритона (191 кэВ) и протона (573 кэВ) с довольно большим суммарным энерговыделением 764 кэВ:

что создает в рабочем (конверсионном) зазоре относительно большой заряд ~30 тысяч первичных электронов в среднем, по которому определяется факт регистрации нейтрона и координаты точки захвата нейтрона. Для увеличения эффективности регистрации нейтронов необходима определенная концентрация ядер в рабочем зазоре детектора, поэтому газ ³Не₂ используется при относительно высоком давлении. Продукты реакции (1) - две положительно заряженные частицы вылетают из точки захвата нейтрона под углом 180° друг к другу изотропно во всех направлениях. Заряд первичных электронов распределен вдоль треков частиц-фрагментов. Длины пробега фрагментов в газе не одинаковые, что вносит погрешность в определение координат точки захвата нейтрона, т.к. регистрируется центр тяжести образованного заряда. Центр тяжести смещен в сторону пробега более энергичного протона, причем неизвестно, в какую сторону, что устанавливает предел пространственного разрешения. Для улучшения пространственного разрешения детектора необходимо уменьшать пробеги, для чего увеличивается общее давление газовой смеси, добавлением к гелию многоатомного газа, например, пропана (C₃H₈). Суммарное давление газовой смеси может составлять 10 атм (на чистом гелии - 30 атм¹ (¹ Cuello G. J., et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2016. P. 746.)) . С увеличением давления газовой смеси необходимо пропорционально увеличивать напряжение, т.к. скорость дрейфа электронов и коэффициент лавинного умножения зависят от отношения Е/р, где Е -напряженность электрического поля, р - давление газа.

Известны проволочные двухкоординатные детекторы тепловых и холодных нейтронов (т.х.н.) с газовым конвертором ³Не₂, на которых построено наибольшее количество нейтронных дифрактометров, например, [1] Knott R.B., et al. A large 2D PSD for thermal neutron detection // Nucl. Instr. and Meth. A392. 1997. P. 62-67; [2] Radeka V. et al. High-performance, imaging, thermal neutron detectors // Nucl. Instr. and Meth. A419. 1998. P. 642-647; [3] Andreev V., et al. Two-dimensional detector of thermal neutrons // Nucl. Instr. and Meth. A581. 2007. P. 123-127.

Проволочный детектор состоит из герметичного корпуса с газовым рабочим зазором, образованным между входным и выходным окном корпуса, в котором размещены проволочные электроды: анодные и катодные проволочки многопроволочной пропорциональной камеры. Амплитудный спектр регистрируемых сигналов содержит пик, соответствующий суммарной энергии 764 кэВ, и "хвост", простирающийся до нуля. Захват нейтрона может произойти в любой точке рабочего зазора по его глубине, в том числе вблизи входного или выходного окна, когда трек одного из фрагментов реакции (1) касается окна, и электроны теряются (эффект окна). Поэтому требуется дополнительное умножение числа первичных электронов, чтобы регистрация полезного сигнала происходила выше порога гамма-фона, который сопровождает пучки т.х.н. и является основным фоном. В проволочной камере умножение электронов производится на анодных проволочках, в работе [1] усиление 10-15, в работе [2] 20, а в работе [3] ~200. Координаты X и Y определяются, например, по номерам сработавших катодных проволочек: X - одного катода и Y - другого, см. [1].

Детекторы [1] и [3] работают с ошибкой параллакса по X и Y, т.к. имеют планарную детектирующую поверхность. Чем ближе ко входному окну происходит захват нейтрона, тем больше ошибка параллакса в координатах X и Y. Для устранения параллакса поперек проволочек по Х-координате в детекторе [2] каждому модулю придается цилиндрическая форма детектирующей поверхности с радиусом изгиба 1.5 м (расстояние от образца до детектора). В этом случае дрейф первичных электронов происходит по нормали к поверхности изгиба, и параллакс устраняется. Уменьшение параллакса по Y координате в проволочных камерах затруднено. В работе [2] обсуждается способ с установкой на входном окне корпуса специального электрода с распределенным отрицательным потенциалом для создания специального электрического поля в рабочем зазоре детектора.

Другим недостатком проволочных камер [1-3] является низкое быстродействие ~10⁵ Гц/см². Причина - пространственный заряд положительных ионов, которые окружают анодные проволочки, экранируя их, в результате чего начинает падать усиление камеры при дальнейшем увеличении загрузки. Отметим еще ряд недостатков проволочных камер: наличие высокого напряжения на считывающих электродах, поэтому требуются высоковольтные разделительные конденсаторы и резисторно-диодные цепочки защиты на входе усилителей, что приводит к ненадежности. В работе [3] применено пять проволочных электродов вместо трех [1, 2] с тем, чтобы маломощные интегральные линии задержки разместить на нулевом потенциале катодов, для чего понадобилось ввести два дополнительных дрейфовых проволочных электрода и подать на них отрицательное напряжение, чем существенно усложнена конструкция детектора.

На порядок выше быстродействие ~10⁶ Гц/см² у детектора тепловых и холодных нейтронов, который выполнен на иной системе умножения первичного заряда - микростриповом газовом счетчике (Micro-Strip Gas Counter - далее MSGC) [4] (OedA., Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplication with gas. Nucl. Instr. And Meth. A263, 1988, p. 351-359). Ha MSGC построено также немало нейтронных дифрактометров с хорошими параметрами.

Здесь система умножения первичного заряда выполнена на узких печатных стрипах анод-катод, которые расположены параллельно друг другу и размещены на подложке из оптического стекла методом фотолитографии. Анодом является узкий стрип с шириной 10 мкм, толщина которого также порядка 10 мкм, а катодом является относительно широкий стрип 100-1000 мкм. Печатные катод и анод расположены друг от друга на расстоянии в 50-100 раз меньшем, чем в проволочной камере, отсюда в 50-100 раз более высокое быстродействие детектора, т.к. положительные ионы быстрее покидают зазор анод-катод. Шаг стрипов - 1 мм и более выбирается в соответствии с требуемым пространственным разрешением детектора. Коэффициент усиления, принятый в MCGC, составляет 30-100.

На MSGC, как правило, шире рабочий зазор по сравнению с проволочными камерами, а значит больше параллакс. Для иллюстрации того, как устранен параллакс в горизонтальной Х-координате в детекторе т.х.н. с зазором 50 мм, приведем пример кольцевого дифрактометра². (² Hansen Т., et al. // Meas. Sci. Technol. 19. 2008. The D20 instrument at the ILL: A versatile high-intensity two-axis neutron diffractometer. DOI:l0.1088/0957-0233/19/3/034001.). Здесь выполнена кусочно-линейная аппроксимация цилиндрической поверхности с радиусом 1.47 м (расстояние от образца до детектора) 48 модулями MSGC 127×127 мм² с активной областью 80×80 мм².

Детектор, описанный в работе [5] (Tanaka H., et al. Development of Two-Dimensional Micro-Strip Gas Detector With Individual Readouts for Neutron Scattering Experiments // IEEE transaction on NS V.53. №4. 2006. P. 2264), отличается от [4] тем, что в качестве подложки используется гибкая полиимидная пленка-каптон толщиной 17 мкм. Детектор выполнен с маленькими размерами активной площади 51×51 мм² и работает при усилении 30 на смеси 3Не₂/CF₄ с парциальным давлением 8/2 атм, соответственно. При таких размерах проблема параллакса не актуальна. Гибкую подложку принципиально можно изогнуть, придав детектирующей поверхности цилиндрическую и даже сферическую форму для исключения параллакса, как поперек стрипов по Х-координате, так и вдоль стрипов - по Y. Однако такая конструкция детектора не известна. Цитируемый детектор [4] с прекрасными характеристиками, полностью удовлетворяющими требованиям эффективной регистрации т.х.н., имеет плоскую детектирующую поверхность.

Другие недостатки микро-стриповых детекторов [4, 5]: невысокая надежность, при электрическом пробое между анодом и катодом возможен обрыв узкого анодного стрипа; наличие высокого напряжения на считывающих электродах, поэтому требуются высоковольтные разделительные конденсаторы и резисторно-диодные цепочки защиты на входе усилителей.

Известна работа, в которой для регистрации т.х.н. газовым конвертором ³Не2 умножение первичного заряда производится газовым электронным умножителем [6] (Vuure Т.L. et al. High-Pressure GEM Operation Aiming at Thermal Neutron Detection // IEEE Trans, on Nucl. Sci. NS 48. №4. 2001. P. 1092-1094); подробно, см. [7] (Vuure T.L. // Thermal-neutron detection based on the Gas Electron Multiplier PhD theses, Delft University Press. Netherlands. 2004).

В газовом электронном умножителе (GEM - Gas Electron Multiplier, далее будет использоваться русская аббревиатура ГЭУ) умножение первичного заряда происходит в отверстиях, образованных в фольгированном с двух сторон каптоне толщиной 50 микрон с отверстиями диаметром 50 мкм, расположенными гексагонально с шагом 140 мкм. В работе [6] для умножения первичного заряда впервые исследуется возможность применения "классического" GEM³ (³ F. Sauli, GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Instrum. Meth., vol. A386,1997, 531-534) с размерами 5×5 см² применительно к регистрации т.х.н. с газовым конвертором ³Не₂ при давлении до 10 атм. Электроны первичного заряда, образовавшиеся в рабочем зазоре при захвате нейтрона ядром ³Не, дрейфуют к отверстиям GEM. Внутри отверстий происходит пропорциональное усиление первичного заряда за счет лавинной ионизации атомов газа. Вторичный заряд электронов выходит из отверстий в индукционный зазор, где расположена плата считывания, содержащая ортогонально ориентированные стрипы для определения координат X и Y вторичного заряда. В работе показано, что при давлении газовой смеси 10 атм достигается усиление 10-100, однако отмечается, что наблюдаются пробои в отверстиях. Следует подчеркнуть, что реальных дифрактометров, выполненных на GEM, пока нет, но есть на MSGC, a GEM не уступает, а в ряде характеристик превосходит MSGC. Так, быстродействие GEM выше чем MSGC, т.к. число отверстий на площади 1 см² больше чем стрипов в MSGC, а каждое отверстие - независимый пропорциональный счетчик. Кроме того, одинаковое пространственное разрешение в направлении осей X и Y, т.к. размещение отверстий в обоих направлениях одинаковое.

В случае пробоя выделяется энергия, пропорциональна квадрату напряжения и межэлектродной емкости (как уже отмечалось, с увеличением давления газа необходимо увеличивать напряжение). По этой причине для уменьшения емкости необходимо уменьшать размеры детектора.

Дополнительным недостатком ГЭУ, который используется в работе [6], является наличие индукционного зазора, что усложняет выполнение изгиба для устранения параллакса. Следует отметить, что известен сферический изгиб детектирующей поверхности ГЭУ для устранения параллакса по X и Y⁴ (⁴ Pinto S.D., et al. First results of spherical GEMs // arXiv:1011.5528vl). Этот детектор изготовлен для рентгенографии для работы в смеси Ar/СО₂ при атмосферном давлении. Для регистрации т.х.н. с гелиевым конвертором при высоком давлении, такая конструкция не годится, т.к. требуется более мелкая сегментация. Из других недостатков отметим наличие высокого напряжения на считывающих электродах: требуются высоковольтные разделительные конденсаторы и резисторно-диодные цепочки защиты на входе усилителей в системе считывания.

Основными задачами изобретения являются: исключение параллакса сферическим изгибом детектирующей поверхности двухкоординатного детектора т.х.н. с газовым конвертором ³Не₂ при высоком давлении, выполненном с ГЭУ, повышение надежности и увеличение размеров детектора при сохранении высокого быстродействия и пространственного разрешения.

Технический эффект - повышение надежности детектора.

Технический эффект полезной модели достигается тем, что в заявляемом двухкоординатном детекторе т.х.н. с газовым конвертором ³Не₂, содержащем герметичный корпус с рабочим (конверсионным) зазором, образованным между входным и выходным окном, и заполненный под давлением газовой смесью ³Не₂ с многоатомной добавкой, в котором размещены газовый электронный умножитель (ГЭУ) с системой считывания координат новым является то, что использован ГЭУ колодезного типа с резистивным электродом из алмазоподобного углерода (АПУ), нанесенным на проводящую печатную решетку, который вместе с системой считывания образует одну гибкую многослойную плату, размещенную на внутренней поверхности выходного окна герметичного корпуса. При этом форма выходного окна выполнена сферической с радиусом, например, 1 м, а размещенная на ее внутренней поверхности плата принимает форму окна. Печатные проводники решетки размещены между отверстиями, причем шаг решетки выбран кратным шагу отверстий ГЭУ и предельно малым, например, 0.5 мм при шаге отверстий 0.5 мм, а считывающие стрипы размещены напротив отверстий ГЭУ.

Повышение надежности детектора достигается тем, что резистивный электрод существенно уменьшает емкость, которая в случае электрического пробоя разряжается на плазму в отверстии, т.е. не нужна сегментация электродов. Разряд, если возникает, то тут же "гасится" высоким сопротивлением резистивного электрода, т.к. снижается межэлектродное напряжение. Алмазоподобный углерод, обладая высоким удельным электрическим сопротивлением, исключительно устойчив к воздействию электрических разрядов благодаря высокой твердости, гладкости, прочному удержанию графита в алмазе, высокой температуре плавления; во-вторых, это - тонкий слой (не больше 1 микрона); плата с нанесенным слоем АПУ остается гибкой. Подача напряжения на АПУ впервые производится при помощи проводящей печатной решетки с предельно малым шагом, например, 0.5 мм при шаге отверстий 0.5 мм. Кроме того, благодаря нулевому напряжению на считывающих стрипах не нужны разделительные емкости и цепочки защиты на входах усилителей, что дополнительно повышает надежность.

Ошибка параллакса по измеряемым X и Y координатам устраняется изгибом платы в сферическую форму с радиусом, например, 1 м (расстояние от исследуемого образца дифрактометра до детектора), при этом одновременно изгибаются детектирующая поверхность и считывающие стрипы, причем упрощается технология изгиба тем, что плата размещается на внутренней поверхности выходного окна и давлением газа плотно прижимается к нему и повторяет его форму.

Размеры детектора увеличены во-первых, тем, что в резистивном ГЭУ не нужна сегментация, во-вторых, применением модульного принципа, как показано ниже.

Пространственное разрешение предлагаемого детектора определяется шагом отверстий ГЭУ, например, 0.5 мм. Подчеркнем, что шаг отверстий 140 мкм, как в работе [6], представляется избыточным усложнением.

Быстродействие предложенного детектора с ГЭУ колодезного типа также увеличено по сравнению с тем, которое достигнутого в MSGC, потому, что число отверстий в ГЭУ больше на 1 см² чем стрипов анод-катод в MSGC, а каждое отверстие ГЭУ - независимый пропорциональный счетчик. Высокое быстродействие в предложенном техническом решении достигается за счет того, что путь, на который растекается заряд электронов по поверхности АПУ до его рекомбинации, уменьшен до 0.5 мм. Это в 20 раз меньше по сравнению с известными резистивными ГЭУ колодезного типа, что соответственно увеличивает быстродействие. Время стекания заряда определяется поверхностным сопротивлением резистивного слоя R и шагом решетки s:

где

- электрическая постоянная,

- диэлектрическая проницаемость материала подложки

Для s=0.5 мм и

получим Т=180 не, что с обеспечивает быстродействие ~10⁶ Гц/см².

Двухкоординатный детектор т.х.н. с газовым конвертором ³Не₂ для различных дифрактометров приведен на рисунках Фиг. 1 и Фиг. 2, где 1 - герметичный корпус со входным окном 2 и выходным окном 3, между которыми создан рабочий (конверсионный) газовый зазор 4; плата, содержащая ГЭУ колодезного типа с резистивным электродом вместе с системой регистрации координат, подробно представлена на рисунках Фиг. 3 и Фиг. 4. На Фиг. 3 изображено в разрезе устройство используемого ГЭУ колодезного типа, где показано размещение печатной проводящей решетки, на которую нанесен АПУ, относительно отверстий ГЭУ. На Фиг. 4 изображено в разрезе устройство используемого ГЭУ колодезного типа, где в других слоях многослойной структуры показано, как размещены считывающие стрипы X и Y относительно отверстий ГЭУ. Стрипы Y выбираются шире стрипов X, чтобы заряды на них наводились одинаковыми.

Материалом используемого ГЭУ колодезного типа в предлагаемом детекторе т.х.н. является односторонний фольгированный диэлектрик⁵ (⁵ Материалом может быть стеклотекстолит, полиимидная пленка (каптон), лавсан, фторопласт и др.) толщиной, например, 0.5 мм с отверстиями диаметром 0.2 мм, расположенными с одинаковым шагом по осям X и Y, например, 0.5 мм. Элементами ГЭУ колодезного типа являются: 5 - первый электрод ГЭУ; 6 - отверстия; 7 - резистивный слой, выполняющий функцию второго электрода ГЭУ, нанесенный на подложку 8 с проводящей печатной решеткой 9; стрипы 10 и 12, выполненные взаимно ортогонально на плате 11; 13 - дополнительный изолятор, позволяющий размещать плату непосредственно на внутренней поверхности выходного окна 3 в корпусе 1, если это один модуль, или на дополнительной материнской плате при модульном исполнении детектора т.х.н., как показано на рисунках Фиг. 1 и Фиг. 2.

Как правило, детекторы для дифрактометров строятся по модульному принципу, см. [2]. При накоплении дифракционных спектров модули детектора могут работать параллельно и независимо для ускорения набора дифрактограмм, т.к. известен номер сработавшего модуля по сигналу с электрода 5. На рисунках Фиг. 1 и Фиг. 2 показан общий случай модульного построения двухкоординатного детектора т.х.н. для различных дифрактометров. Каждый модуль имеет изогнутую по сфере детектирующую поверхность. Границы модулей обозначены пунктирными линиями. Частный случай - один модуль. Например, размещением 60 модулей с размерами 100×100 мм² в два ряда, как показано на рисунке Фиг. 1, создается двухкоординатный детектор т.х.н. для кольцевого дифрактометра с апертурой в вертикальной плоскости 200 мм, охватывающий в горизонтальной плоскости диапазон углов 180° с расстоянием до образца, например, 1 м. Размещением модулей с размерами 100×100 мм², например, в виде матрицы 5×5, как показано на рисунке Фиг. 2, создается детектор для дифрактометра малоуглового рассеяния с апертурой 500×500 мм². Следует подчеркнуть, что в этом случае девять модулей оказываются внутренними. Для подачи напряжения на внутренние модули и вывода стрипов X и Y на периферию детектора к усилителям можно применить объединяющую (материнскую) печатную плату⁶. ( ⁶ Современная промышленность позволяет производить гибкие печатные платы до 1 м²). Между модулями при размещении их на материнской печатной плате допускается промежуток до 5 мм. Этот промежуток приводит к небольшой потере эффективности регистрации нейтронов ~5% (как и в известных детекторах), но такого промежутка вполне достаточно для подведения рабочего напряжения к внутренним модулям детектора по известной технологии многослойных печатных плат с глухими металлизированными отверстиями. Размещением металлизированных отверстий в местах склейки плат создается необходимая изоляция для подачи рабочего напряжения порядка 1 кВ на электроды внутренних модулей.

Для создания детектора т.х.н. необходим катод. Катодом может быть корпус детектора. На рисунке Фиг. 5 показаны высоковольтные элементы предлагаемого детектора: высоковольтные источники напряжения 14 и резисторы 15. Если катодом является корпус с нулевым потенциалом, см. Фиг. 5 а, то на первый электрод ГЭУ подается положительное напряжение напряжение +V1, а на резистивный электрод - положительное напряжение напряжение +V2 большее V1. Если необходимо, например, изолировать катод от корпуса, то катод наносится на пленку⁷ (⁷ Фторопласт с напыленным на одну сторону металлом. Фторопласт не содержит водорода, сильно рассеивающего нейтроны, приклеивается лишь вдоль периметра к внутренней поверхности входного окна и давлением газа плотно прижимается к окну, повторяя его форму, цилиндрическую или сферическую в случае соответствующего изгиба входного окна.) см. Фиг. 5b, и тогда на него можно подать отрицательное напряжение -V1, на первый электрод ГЭУ - нулевое напряжение (V=0), а на резистивный электрод - положительное напряжение напряжение +V2.

Отличительной особенностью предлагаемого двухкоординатного гелиевого детектора т.х.н. является то, что на считывающих электродах нулевое напряжение в любом из случаев, приведенных на Фиг. 5. Как следствие, отсутствуют перегружающие токи и напряжения в случае пробоев в газе, поэтому на входе усилителей не нужны разделительные конденсаторы и резисторно-диодные цепочки защиты, что дополнительно повышает надежность и упрощает схему регистрации сигналов с каждого стрипа, как это сделано в работе [1]. При определении координаты по центру тяжести вторичного заряда, как это сделано в работе [2], в резистивном делителе можно применить маломощные резисторы поверхностного монтажа минимального типоразмера (например, 0201) которые припаиваются к концам стрипов и образуют делитель. Для определения координаты по задержке сигналов, как в [3], линии задержки также могут быть маломощными.

Предлагаемый двухкоординатный газонаполненный гелиевый детектор тепловых и холодных нейтронов работает следующим образом. Нейтрон, рассеянный на образце, проникает через входное окно 2 герметичного корпуса 1 и попадает в рабочий (конверсионный) зазор с газовым конвертором ³Не₂. Выходное окно 3 повторяет форму входного окна 2, чем создается необходимый рабочий (конверсионный) зазор. В рабочем зазоре 4 в любом месте по глубине нейтрон может быть захвачен ядром ³Не₂. В результате развала возбужденного ядра гелия на заряженные фрагменты реакции (1) последние ионизуют атомы газа с образованием в рабочем зазоре первичного заряда, достаточно хорошо локализованного, например, 1-2 мм, если выбрать соответствующее суммарное давление гелия и многоатомной добавки, например, пропана (С₃Н₈). Первичный заряд электронов дрейфует в радиальном электрическом поле Е, созданном в рабочем зазоре 4 изгибом, к отверстиям ГЭУ по силовым линиям, направленным по нормали к изогнутым электродам. Корпус детектора может выполнять роль катода, как показано на рисунок Фиг. 5а. Но можно установить на внутренней поверхности входного окна 2 катод, на который подать отрицательное напряжение. В этом случае электрод 5 имеет нулевой потенциал, а резистивный слой 7 и решетка 9 - положительный, как показано на рисунок Фиг. 5b. В результате лавинного умножения электронов в сильном электрическом поле внутри отверстий 6 возникает вторичный заряд, достаточный для его надежной регистрации. Этот заряд состоит из двух компонент - электронной и ионнной. Электронный заряд "садится" на резистивный слой, ионный дрейфует в сторону катода. Разделенные электрическим полем электронная и ионнная компоненты вторичного заряда и их движение индуцируют сигналы отрицательной полярности на электродах 7, 9, а также на считывающих стрипах 10 и 12. Положительная полярность сигналов индуцируется на электроде 5. Основной вклад в наведенный сигнал создает электронный заряд, растекающийся по поверхности АПУ. Если первичный заряд ~30 тысяч электронов (5 фКл), то умножением его на коэффициент газового усиления, например, 20 находим вторичный заряд ~100 фКл. Этот заряд делится пополам между X и Y стрипами и составляет достаточно большой сигнал по сравнению с тепловыми шумами электроники (~1 фКл).

Для того, чтобы съем координатной информации происходил с максимальным быстродействием необходимо столько усилителей, сколько стрипов, как в [1], и координаты X и Y определять по номеру стрипа логической схемой. Возможны также и "экономичные" варианты съема координатной информации с использованием резистивных делителей [2] и линий задержки [3], при этом снижается быстродействие, но не ниже, чем в MSGC.

Оценим эффективность детектора по формуле:

пренебрегая потерями нейтронов в материале входного окна. Здесь N_A⋅ρ/A⋅σ(λ₀)=0.134, N_A - число Авогадро, ρ - плотность (г/см³), А - атомная масса, t - толщина слоя конвертора или рабочего зазора (см), р - парциальное давление ³Н₂ (атм), λ - длина волны нейтрона

Из приведенного на рисунке Фиг. 6 графика, построенного по зависимости (3), можно определить эффективность, как функцию произведения переменных t⋅p⋅λ/λ₀, где

Например, при t=2.2 см, если р>5.5 атм, а λ=1.8

получается

Добавкой многоатомного газа CF₄ 3 атм можно получить пространственное разрешение детектора 1 мм (полная ширина на полувысоте) с характеристиками, как в работе [5]. Напряженность дрейфового поля Е в рабочем зазоре детектора может составлять 2.5 кВ/см, как в работе [5]. Для этого напряжение на электроде 5 (см. Фиг. 2) должно быть +5.5 кВ относительно корпуса, а на резистивном электроде 7 приблизительно 6.5 кВ при суммарном давления газовой смеси р=8.5 атм, как в работе [5]. Каптон толщиной 100 микрон (если его применить в качестве изолятора 13, Фиг. 2) выдерживает напряжение 15 кВ. Однако, если на внутреннюю поверхность входного окна нанести фторопласт⁸ (⁸ Фторопласт не содержит водорода, сильно рассеивающего нейтроны. Фторопласт может быть приклеен к поверхности входного окна только по периметру и давлением рабочего газа плотно прижат к поверхности окна, принимая профиль входного окна.), с напыленным на одну сторону металлом, то напряжение на катоде заменяется на отрицательное -5.5 кВ при нулевом напряжении на электроде 5, чем создается та же напряженность поля 2.5 кВ/см в рабочем зазоре. Но в этом случае на электроде 7 получим напряжение не более +1 кВ. При таком снижении напряжения упрощается подача напряжений на внутренние модули детектора, см. Фиг. 2.

Литература

1. Knott R.B., et al. A large 2D PSD for thermal neutron detection // Nucl. Instr. and Meth. A392. 1997. P. 62-67.

2. Radeka V., et al. High-performance, imaging, thermal neutron detectors // Nucl. Instr. and Meth. A419. 1998. P. 642-647.

3. Andreev V., et al. Two-dimensional detector of thermal neutrons // Nucl. Instr. and Meth. A581. 2007. P. 123-127.

4. Oed A., Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplication with gas. // Nucl. Instr. and Meth. A263 (1988) p. 351-359.

5. Tanaka H., et al. Development of Two-Dimensional Micro-Strip Gas Detector With Individual Readouts for Neutron Scattering Experiments. // IEEE transaction on NS V.53. №4. 2006. P. 2264.

6. Vuure T.L. et al. High-Pressure GEM Operation Aiming at Thermal Neutron Detection // IEEE Trans, on Nucl. Sci. NS 48. №4. 2001. P. 1092-1094.

Claims (3)

1. Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конвертором ³Не₂, содержащий герметичный корпус с рабочим (конверсионным) зазором, образованным между входным и выходным окном, заполненный под давлением газовой смесью ³Не₂ с многоатомной добавкой, в котором размещены газовый электронный умножитель (ГЭУ) и система считывания координат, отличающийся тем, что используется ГЭУ колодезного типа с резистивным электродом, выполненным из алмазоподобного углерода (АПУ) и образующим вместе с системой считывания координатной информации одну гибкую многослойную плату, размещенную на внутренней поверхности выходного окна герметичного корпуса.

2. Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конвертором ³He₂ по п. 1, в котором АПУ нанесен на печатную проводящую решетку, причем печатные проводники решетки размещены между отверстиями, шаг решетки выбран кратным шагу отверстий ГЭУ и предельно малым, например, 0.5 мм при шаге отверстий 0.5 мм, а считывающие стрипы размещены напротив отверстий ГЭУ.

3. Двухкоординатный детектор тепловых и холодных нейтронов с газовым конвертором ³Не₂ по п. 1, в котором форма выходного окна выполнена сферической с радиусом, например, 1 м, а размещенная на ее внутренней поверхности плата принимает форму окна.

Images