RU2816244C1 - Position-sensitive detector of thermal and cold neutrons from compact analysed sample - Google Patents

Position-sensitive detector of thermal and cold neutrons from compact analysed sample Download PDF

Info

Publication number
RU2816244C1
RU2816244C1 RU2023125284A RU2023125284A RU2816244C1 RU 2816244 C1 RU2816244 C1 RU 2816244C1 RU 2023125284 A RU2023125284 A RU 2023125284A RU 2023125284 A RU2023125284 A RU 2023125284A RU 2816244 C1 RU2816244 C1 RU 2816244C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
anode
angle
neutrons
detector
Prior art date
Application number
RU2023125284A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Георгиевич Колесников
Борис Жанакаитович Залиханов
Виктор Иванович Боднарчук
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Filing date
Publication date
Application filed by Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Application granted granted Critical
Publication of RU2816244C1 publication Critical patent/RU2816244C1/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to detection and measurement of nuclear radiation flux. Position-sensitive detector of radiation of thermal and cold neutrons from a compact test sample contains spacer inserts having a wedge shape and arranged so that the substrates are inclined relative to each other at an angle β, equal to the angle of the diverging neutron flux from the compact test sample falling into each chamber, determined by the formula where 2h is the width of the chambers on the side of the flow entering the chamber; R is the distance from the sample to the middle of the first anode wire, which is determined from the side of the flow entering the chamber. Detector itself acquires a fan-shaped structure and is placed so that neutrons fall on the surface of the cathode at the inlet of each chamber at the same small angle α, which is set from 1 to 5 degrees.
EFFECT: high efficiency of detecting the flow of scattered thermal and cold neutrons.
3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации и измерению потока ядерных излучений, а именно к регистрации потока тепловых и холодных нейтронов, рассеянных на компактном образце, с использованием газового детектора нейтронов с конвертером из тонкого твердотельного слоя на основе изотопа бора 10B. Изобретение предназначено для измерения величины плотности потока нейтронов в зависимости от угла рассеяния и может применяться для широкого спектра приборов, используемых при изучении природы рассеяния тепловых и холодных нейтронов в различных веществах, а также для других прикладных и фундаментальных исследованиях нейтронного рассеивания, где требуется охватить широкий угол рассеивания нейтронов от изучаемых компактных образцов, характерные размеры которых много меньше расстояний от образца до детектора.The invention relates to the field of registration and measurement of the flux of nuclear radiation, namely to the registration of the flux of thermal and cold neutrons scattered on a compact sample, using a gas neutron detector with a converter made of a thin solid layer based on the boron isotope 10 B. The invention is intended to measure the density value neutron flux depending on the scattering angle and can be used for a wide range of instruments used in studying the nature of the scattering of thermal and cold neutrons in various substances, as well as for other applied and fundamental studies of neutron scattering, where it is necessary to cover a wide angle of neutron scattering from the compact samples being studied , the characteristic dimensions of which are much smaller than the distance from the sample to the detector.

Изобретение относится к классу детекторов тепловых и холодных нейтронов, представляющих собой газовые многопроволочные пропорциональные камеры, состоящие из электродов (анода и катода), размещенных в герметичном корпусе, заполненных газовой смесью. Как правило, в таких детекторах в качестве анода применяются тонкие проволочки, размещенные в ряд с определенным шагом в одной плоскости, а катодами являются размещаемые на определенном расстоянии по обе стороны от плоскости анода токопроводящие электроды на плоской подложке. В качестве вещества конвертера нейтронов (преобразователя нейтронов в заряженные частицы, регистрируемые в газовой камере) выступает либо заполняющий камеру рабочий газ, содержащий газ из изотопа гелий-3 (3Не) или газообразное соединение, содержащее изотоп бор-10 (10B), либо тонкий слой твердотельного материала, содержащего изотоп бор-10 (10B), нанесенного на поверхность катода. Для определения координаты места события захвата (конвертации) нейтрона используются анодные проволочки и токопроводящие параллельные полоски - стрипы (strips - полоски). Для этого на одном из катодов формируют стрипы, или слой твердотельного конвертера формируют в виде стрипов. Анодные проволочки и стрипы устанавливают перпендикулярно друг другу и ориентируют перпендикулярно оси излучения пучка нейтронов. По этому принципу изготавливаются позиционно-чувствительные газовые детекторы.The invention relates to the class of thermal and cold neutron detectors, which are gas multi-wire proportional chambers consisting of electrodes (anode and cathode), placed in a sealed housing, filled with a gas mixture. As a rule, in such detectors, thin wires are used as an anode, placed in a row with a certain pitch in one plane, and cathodes are conductive electrodes placed at a certain distance on both sides of the anode plane on a flat substrate. The substance of the neutron converter (converter of neutrons into charged particles registered in the gas chamber) is either the working gas filling the chamber, containing gas from the helium-3 isotope ( 3He ) or a gaseous compound containing the boron-10 isotope ( 10B ), or a thin layer of solid material containing the isotope boron-10 ( 10B ) deposited on the surface of the cathode. To determine the coordinates of the neutron capture (conversion) event, anode wires and conductive parallel strips are used. To do this, strips are formed on one of the cathodes, or the solid-state converter layer is formed in the form of strips. Anode wires and strips are installed perpendicular to each other and oriented perpendicular to the neutron beam radiation axis. Position-sensitive gas detectors are manufactured using this principle.

Из-за дефицита 3Не, связанного с его искусственным происхождением, многие ведущие научные центры проводят интенсивные разработки новых детекторов на основе доступного на земле конвертера 10В из твердотельного карбида бора, обогащенного по изотопу 10B, - 10B4C. Продуктами реакции захвата нейтрона являются частицы 4Не и 7Li, разлетающиеся практически в противоположные стороны. Имеется особенность применения твердотельного покрытия катода карбидом бора. Чем толще слой покрытия, содержащего конвертер, тем большее количество нейтронов с ним провзаимодействует. При этом, частицы 4Не и 7Li, образующиеся глубоко в толщине конвертера, могут, испытав большие потери, выйти из слоя с энергиями, близкими к порогу регистрации, либо поглотится материалом конвертора. Длина пробега частицы 4Не в материале конвертера 10B4C составляет примерно 3,4 мкм, a 7Li - 1,7 мкм - (С. и др. "В4С thin films for neutron detection," Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012) [1]. Оптимальная толщина одного слоя, обеспечивающая максимальную эффективность регистрации, для длины волны находится в пределах 2,5 мкм. В этом случае эффективность слоя для тепловых нейтронов достигает не более 5-8%, в то время, как эффективность детекторов, построенных на конвертере 3Не может достигать 60-95%. Одним из решений повышения эффективности применяется наклон слоя с конвертером относительно направления движения нейтронов так, чтобы плоскость слоя конвертора находилась под малым углом а к направлению падения нейтронов. За счет наклона увеличивается длина пути нейтронов в приповерхностном слое конвертора, что приводит к увеличению количества взаимодействия нейтронов ядрами 10B на небольшой глубине слоя конвертера, а значит, к большему выходу частиц распада из слоя конвертера и большей эффективности регистрации, в сравнении с перпендикулярным падением нейтронов.Due to the shortage of 3 He associated with its artificial origin, many leading scientific centers are intensively developing new detectors based on the earth-available 10 V converter made of solid boron carbide, enriched in the isotope 10 B, - 10 B 4 C. Capture reaction products The neutrons are particles of 4 He and 7 Li, scattering in almost opposite directions. There is a peculiarity of using a solid-state coating of the cathode with boron carbide. The thicker the coating layer containing the converter, the greater the number of neutrons that interact with it. In this case, 4 He and 7 Li particles, formed deep in the thickness of the converter, can, having experienced large losses, leave the layer with energies close to the detection threshold, or be absorbed by the converter material. The path length of the 4 He particle in the converter material 10 B 4 C is approximately 3.4 microns, and 7 Li - 1.7 microns - (C. et al. “B4C thin films for neutron detection,” Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012) [1]. Optimal thickness of one layer, providing maximum detection efficiency, for wavelength is within 2.5 microns. In this case, the efficiency of the layer for thermal neutrons reaches no more than 5-8%, while the efficiency of detectors built on converter 3 He cannot reach 60-95%. One of the solutions to increase efficiency is to tilt the layer with the converter relative to the direction of neutron movement so that the plane of the converter layer is at a small angle a to the direction of incidence of the neutrons. Due to the tilt, the path length of neutrons in the near-surface layer of the converter increases, which leads to an increase in the amount of interaction of neutrons with 10 B nuclei at a shallow depth of the converter layer, and therefore to a greater yield of decay particles from the converter layer and greater registration efficiency, in comparison with perpendicular incidence of neutrons .

Эффективная длина пробега нейтронов в конверторе (эффективная толщина) dэф определяется по формуле dэф=d/sinα, где d - физическая толщина конвертора. Для угла α=6°, 5° и 2° эффективная толщина dэф становится больше физической толщины d в 9,57, 11,47 и 28,65 раз соответственно.The effective neutron path length in the converter (effective thickness) d eff is determined by the formula d eff = d/sinα, where d is the physical thickness of the converter. For angles α=6°, 5° and 2°, the effective thickness d eff becomes greater than the physical thickness d by 9.57, 11.47 and 28.65 times, respectively.

Нейтронные исследования вещества, находящегося в плотном или как принято говорить - конденсированном состоянии, регистрируют поле тепловых или холодных нейтронов, рассеянных после взаимодействия с исследуемым образцом. Для этого на образец направляют нейтроны, сформированные в виде пучка высокой плотности. Нейтроны рассеиваются на ядрах образца, неся информацию о его структуре. Нейтроны после взаимодействия с образцом образуют расходящийся поток. Поэтому для получения более полной информации необходимо охватить как можно больший телесный угол рассеивания.Neutron studies of a substance in a dense or, as they say, condensed state, record the field of thermal or cold neutrons scattered after interaction with the sample under study. To do this, neutrons formed in the form of a high-density beam are directed at the sample. Neutrons are scattered by the nuclei of the sample, carrying information about its structure. Neutrons, after interacting with the sample, form a divergent flow. Therefore, to obtain more complete information, it is necessary to cover as large a solid scattering angle as possible.

Среди детекторов, построенных на принципе наклонной геометрии конвертирующего слоя с карбидом бора, рассчитанного для регистрации расходящегося потока нейтронов, можно выделить двухкоординатньш позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов по полезной модели Российской Федерации №174185 U1 от 06.10.2017 г [2]. Детектор состоит из входного окна, размещаемого перпендикулярно падающему потоку нейтронов, герметичного корпуса, заполненного смесью рабочих газов 80%Ar+20%СО2 при атмосферном давлении на продув, систем электродов (катод и анод), составляющих два детектирующих слоя, размещенных друг за другом. Каждый детектирующий слой состоит из одинаковых ячеек пропорциональных газовых камер, размещенных в ряд с определенным шагом. Ячейки газовых камер представляют собой анод в виде установленных в ряд, образуя анодную плоскость, тонких вольфрамовых проволочек, направленных параллельно входному окну детектора. Анодная плоскость размещена посередине между катодами, которыми служат параллельно расположенные пластинки из алюминия с нанесенным на их поверхность конвертером в виде тонкой пленки карбида бора 10B4C, обогащенного изотопом 10B. Пластинки с конвертером, нанесенным с двух сторон сплошной пленкой, чередуются с пластинками с конвертером, нанесенным с двух сторон на предварительно пассированную (для получения электроизоляционного слоя) поверхность в виде стрипов, направленных перпендикулярно направлению анодных проволочек. Пластинки первого детектирующего слоя ячеек наклонены под малым углом α (в примере α=6°) относительно нормали к входному окну детектора. Пластинки второго детектирующего слоя повернуты на угол -α, противоположный первому слою так, что образуется шевронная структура. Такая конструкция позволяет регистрировать расходящийся поток нейтронов за счет обеспечения одинаковых условий по всей площади входного окна для прохождения детектирующих слоев расходящимся потоком нейтронов, падающим с углом расходимости потока ϕ, меньшим, чем угол наклона α.Among the detectors built on the principle of inclined geometry of a converting layer with boron carbide, designed to register a diverging neutron flux, one can single out a two-coordinate position-sensitive detector of thermal and cold neutrons according to the utility model of the Russian Federation No. 174185 U1 dated 10/06/2017 [2]. The detector consists of an input window placed perpendicular to the incident neutron flux, a sealed housing filled with a mixture of working gases 80% Ar + 20% CO 2 at atmospheric blowing pressure, electrode systems (cathode and anode) that make up two detecting layers placed one behind the other . Each detecting layer consists of identical cells of proportional gas chambers placed in a row with a certain pitch. The cells of the gas chambers consist of an anode in the form of thin tungsten wires installed in a row, forming an anode plane, directed parallel to the input window of the detector. The anode plane is located in the middle between the cathodes, which are parallel aluminum plates with a converter deposited on their surface in the form of a thin film of boron carbide 10 B 4 C, enriched with the 10 B isotope. The plates with the converter coated on both sides with a continuous film alternate with the plates with a converter applied on both sides to a previously passivated (to obtain an electrically insulating layer) surface in the form of strips directed perpendicular to the direction of the anode wires. The plates of the first detecting layer of cells are inclined at a small angle α (in the example α=6°) relative to the normal to the input window of the detector. The plates of the second detection layer are rotated at an angle -α opposite to the first layer so that a chevron structure is formed. This design makes it possible to register a divergent neutron flux by providing identical conditions over the entire area of the input window for the passage of the detecting layers by a divergent neutron flux incident with a flux divergence angle ϕ less than the inclination angle α.

Недостатком детектора является низкая эффективность регистрации нейтронов. Во-первых, в конструкцию детектора заложен принцип прохождения нейтронов сквозь пластины из алюминия (четыре пластины) с нанесенными на них с обеих сторон слоев конвертера 10B4C. Несмотря на то, что алюминий является материалом малых потерь проходящих через него нейтронов за счет рассеивания, но размещение пластин под малым углом α=6° увеличивает его эффективную толщину в 9,6 раз и усиливает рассеивание нейтронов. В описанном примере толщина каждой из четырех пластинок 0,5 мм. Общая эффективная толщина алюминия на пути нейтронов увеличивается до более, чем 19 мм. Для повышения эффективности регистрации нейтронов необходимо уменьшать угол а, но при этом эффективная толщина алюминиевой подложки стремительно увеличивается, что аналогично увеличивает потерю нейтронов за счет рассеивания. При этом часть рассеянных нейтронов регистрируется детектором, искажая истинное распределение рассеянной интенсивности нейтронного потока в пространстве. Во-вторых, часть падающего потока нейтронов входит в торец катодной пластины и рассеивается прежде, чем попасть в конвертерный слой, что можно рассматривать как экранирование. При шаге между ячейками 5 мм экранирующий эффект составляет 0,5/5=0,1 или 10% для каждого детектирующего слоя.The disadvantage of the detector is the low efficiency of neutron detection. Firstly, the design of the detector is based on the principle of neutrons passing through aluminum plates (four plates) with 10 B 4 C converter layers deposited on them on both sides. Despite the fact that aluminum is a material with low losses of neutrons passing through it due to scattering , but placing the plates at a small angle α=6° increases its effective thickness by 9.6 times and enhances neutron scattering. In the example described, the thickness of each of the four plates is 0.5 mm. The total effective thickness of aluminum in the neutron path increases to more than 19 mm. To increase the efficiency of neutron detection, it is necessary to reduce the angle a, but at the same time, the effective thickness of the aluminum substrate rapidly increases, which similarly increases the loss of neutrons due to scattering. In this case, part of the scattered neutrons is recorded by the detector, distorting the true distribution of the scattered intensity of the neutron flux in space. Secondly, part of the incident neutron flux enters the end of the cathode plate and is scattered before entering the converter layer, which can be considered as shielding. With a cell pitch of 5 mm, the shielding effect is 0.5/5=0.1 or 10% for each detection layer.

Наиболее близким к настоящему изобретению решением, взятым за прототип, является детектор по патенту Российской Федерации №2797497С1 от 06.06.2023 г. [3].The closest solution to the present invention, taken as a prototype, is the detector according to the patent of the Russian Federation No. 2797497C1 dated 06.06.2023 [3].

Детектор-прототип тепловых и холодных нейтронов, построенный на принципе падения потока нейтронов под малым углом а на конвертирующий слой из карбида бора, обогащенного изотопом 10B, представляет собой объединенные в единый герметичный корпус, заполненный рабочим газом при атмосферном давлении на продув, параллельно стоящие одинаковые многопроволочные пропорциональные камеры, заключенные между плоскими параллельно стоящими подложками. Подложки размещены с определенным шагом, задающим ширину камеры. На одной стороне подложки сформирован катод, содержащий слой карбида бора, обогащенного изотопом 10B. На второй стороне подложки сформирована стриповая система, представляющая собой электрически изолированные от катода и подложки токопроводящие полоски одинаковой ширины, установленные в ряд с определенным шагом и ориентированные в направлении, составляющем малый угол α с нормалью к плоскости входного угла детектора (далее нормаль). Между подложками в каждой камере перпендикулярно нормали установлены тонкие анодные проволочки, расположенные с определенным шагом в ряд. В качестве подложки используют алюминиевую фольгу или полимерную пленку из радиационно-стойкого материала, которая прикреплена с двух противоположных сторон к держателям подложек таким образом, что представляет собой плоскость. Концы анодных проволочек прикреплены к аналогичным анодным держателям. Между анодными держателями и держателями подложек установлены дистанционные вставки, задающие ширину камер, а также верхние и нижние вставки, подобные клину. Верхние клиновидные вставки установлены над верхней камерой, а нижние клиновидные вставки установлены между основанием и нижней камерой. Клиновидные вставки задают угол а наклона камер от 1° до 5°; анодные держатели, держатели подложек, дистанционные и клиновидные вставки связаны с крепежными элементами. Крепежные элементы выполнены с возможностью регулирования натяжения подложек и анодных проволочек.The prototype detector of thermal and cold neutrons, built on the principle of the incidence of a neutron flux at a small angle on a converting layer of boron carbide enriched with the 10 B isotope, consists of identical, parallel-standing units combined into a single sealed housing filled with a working gas at atmospheric pressure. multiwire proportional chambers enclosed between flat parallel substrates. The substrates are placed with a certain pitch, which determines the width of the chamber. On one side of the substrate, a cathode is formed containing a layer of boron carbide enriched with the 10 B isotope. On the second side of the substrate, a strip system is formed, which is electrically isolated from the cathode and substrate current-conducting strips of the same width, installed in a row with a certain pitch and oriented in a direction equal to small angle α with the normal to the plane of the detector input angle (hereinafter referred to as the normal). Between the substrates in each chamber, thin anode wires are installed perpendicular to the normal, located at a certain pitch in a row. The substrate is aluminum foil or a polymer film made of radiation-resistant material, which is attached on two opposite sides to the substrate holders in such a way that it represents a plane. The ends of the anode wires are attached to similar anode holders. Between the anode holders and substrate holders there are spacer inserts that define the width of the chambers, as well as upper and lower wedge-like inserts. The upper wedge-shaped inserts are installed above the upper chamber, and the lower wedge-shaped inserts are installed between the base and the lower chamber. Wedge-shaped inserts set the angle of inclination of the cameras from 1° to 5°; anode holders, substrate holders, spacers and wedge-shaped inserts are connected to the fastening elements. The fastening elements are designed to regulate the tension of the substrates and anode wires.

Слой конвертера из карбида бора подобран такой толщины, чтобы падающие на него нейтроны полностью в нем поглощались. В этом заключается основное отличие конструкции прототипа от описанного выше аналога. Такой принцип конструкции исключает регистрацию нейтронов, перерассеянных на элементах конструкции детектора Применение в качестве подложки фольги уменьшает эффект экранирования нейтронов торцом подложки. В прототипе при уменьшении угла α падения нейтронов на катод до 2° достижимая эффективность регистрации нейтронов достигает 67% на дине волны (Колесников А.Г., Залиханов Б.Ж., Боднарчук В.И., Курилкин А.К., Горбунов Н.В. Детектор нейтронов "Multi-foil", основанный на тонкослойных покрытиях 10B // Инновационные научные исследования. 2023. №4-1(28). С. 65-85. URL: https://ip-iournal.ru/) [4].The boron carbide converter layer is chosen to be of such thickness that the neutrons incident on it are completely absorbed by it. This is the main difference between the prototype design and the analogue described above. This design principle excludes the registration of neutrons rescattered on the detector design elements. The use of foil as a substrate reduces the effect of neutron screening by the end of the substrate. In the prototype, when the angle α of neutron incidence on the cathode is reduced to 2°, the achievable neutron detection efficiency reaches 67% at wavelength (Kolesnikov A.G., Zalikhanov B.Zh., Bodnarchuk V.I., Kurilkin A.K., Gorbunov N.V. “Multi-foil” neutron detector based on thin-layer 10 B coatings // Innovative scientific research. 2023. No. 4-1(28), pp. 65-85. URL: https://ip-iournal.ru/) [4].

В нейтронных научных центрах, как правило, исследуемый образец размещают на пути пучка медленных нейтронов и регистрируют нейтроны, рассеянные на образце в телесный угол 4π. Для получения максимальной информации необходимо охватить как можно больший телесный угол расходящегося от образца потока нейтронов. В случае применения одного детектора с небольшим плоским входным окном охват большого телесного угла достигают с помощью измерений с последовательным перемещением детектора. Либо размещением плотно друг к другу одинаковых детекторов в круг на одинаковом расстоянии от исследуемого образца. При этом размеры образца по сравнению с расстоянием до детектора таково, что образец можно представить точечным, называемым в дальнейшем компактным исследуемым образцом. В этом случае регистрацию нейтронов, рассеянных на исследуемом образце, можно интерпретировать, как регистрацию излучения нейтронов, расходящихся из одной точки. Угол ϕ расходящегося потока излучения нейтронов от компактного образца, попадающего в детектор, имеющий входное окно 200×200 мм и размещенный на расстоянии 2, 5 и 20 метров, составляет ≥5,7°, ≥2° и ≥0,5°, соответственно. В работе [4] проведено моделирование конструкции детектора по патенту [3] с использованием программного пакета Geant4, реализующего метод Монте-Карло, и показано, что уменьшение угла а падения нейтронов на конвертер от 5° до 2° увеличивает эффективность регистрации нейтронов на дине волны с 42% до 67%, или в 1,6 раза и далее от 2° до 1° - с 67% до 82%, или еще в 1,2 раза. Столь высокая и нелинейная зависимость эффективности от угла а падения нейтронов, усиливающаяся с уменьшением угла а, при размещении детектора-прототипа с входным окном 200x200 на расстоянии от 2 до 5 метров от компактного образца, приводит к неодинаковому углу падения нейтронов на конвертер каждой камеры детектора-прототипа, который увеличивается от α до α+ϕ вдоль входного окна детектора, что в свою очередь приводит к неодинаковой эффективности регистрации нейтронов детектора, уменьшающейся вдоль входного окна. Для уменьшения влияния угла ϕ на эффективность необходимо увеличивать угол падения α, что приводит к уменьшению максимальной эффективности. При размещении детектора-прототипа на расстоянии 20 метров угол α падения нейтронов на конвертер каждой камеры увеличивается вдоль входного окна на 0,5°, что заметно уменьшает эффективность при расчетном угле падения q=2°, и составляет от 67% до 57% вдоль входного окна. Увеличение угла α до значения больше 5° снижает влияние угла ϕ на эффективность, но приводит к понижению предельно достижимой эффективности детектора, составляющей от 42% до 40% вдоль входного окна.In neutron research centers, as a rule, the sample under study is placed in the path of a beam of slow neutrons and neutrons scattered on the sample into a solid angle of 4π are recorded. To obtain maximum information, it is necessary to cover the largest possible solid angle of the neutron flux diverging from the sample. In the case of a single detector with a small flat entrance window, large solid angle coverage is achieved using measurements with sequential movement of the detector. Or by placing identical detectors close to each other in a circle at the same distance from the sample under study. In this case, the dimensions of the sample compared to the distance to the detector are such that the sample can be represented as a point sample, hereinafter called a compact test sample. In this case, the registration of neutrons scattered on the sample under study can be interpreted as the registration of the radiation of neutrons diverging from one point. The angle ϕ of the diverging flux of neutron radiation from a compact sample entering a detector having an entrance window of 200×200 mm and located at a distance of 2, 5 and 20 meters is ≥5.7°, ≥2° and ≥0.5°, respectively . In work [4], the design of the detector according to the patent [3] was simulated using the Geant4 software package, which implements the Monte Carlo method, and it was shown that reducing the angle a of neutron incidence on the converter from 5° to 2° increases the efficiency of detecting neutrons at a wavelength from 42% to 67%, or 1.6 times and then from 2° to 1° - from 67% to 82%, or another 1.2 times. Such a high and nonlinear dependence of efficiency on the angle a of neutron incidence, which increases with decreasing angle a, when placing a prototype detector with an input window of 200x200 at a distance of 2 to 5 meters from the compact sample, leads to an unequal angle of incidence of neutrons on the converter of each detector chamber - prototype, which increases from α to α+ϕ along the input window of the detector, which in turn leads to unequal detection efficiency of neutrons of the detector, decreasing along the input window. To reduce the influence of the angle ϕ on efficiency, it is necessary to increase the angle of incidence α, which leads to a decrease in maximum efficiency. When placing the prototype detector at a distance of 20 meters, the angle α of neutron incidence on the converter of each chamber increases along the input window by 0.5°, which noticeably reduces the efficiency at the calculated incidence angle q=2°, and ranges from 67% to 57% along the input window. Increasing the angle α to a value greater than 5° reduces the effect of the angle ϕ on efficiency, but leads to a decrease in the maximum achievable efficiency of the detector, ranging from 42% to 40% along the input window.

Недостатком детектора-прототипа является уменьшение эффективности регистрации расходящегося от компактного исследуемого образца потока рассеянных тепловых и холодных нейтронов, величина которой уменьшается при уменьшении расстояния от образца до детектора.The disadvantage of the prototype detector is a decrease in the efficiency of recording the flux of scattered thermal and cold neutrons diverging from the compact sample under study, the magnitude of which decreases as the distance from the sample to the detector decreases.

Технической задачей изобретения является получение высокой эффективности регистрации расходящегося от компактного исследуемого образца потока рассеянных тепловых и холодных нейтронов.The technical objective of the invention is to obtain high efficiency in recording the flux of scattered thermal and cold neutrons diverging from a compact test sample.

Технический результат достигается за счет того, что дистанционные вставки имеют клиновидную форму и расположены так, что подложки наклонены по отношению друг к другу на угол β, равный углу расходящегося потока нейтронов от компактного исследуемого образца (далее образец), попадающего в каждую камеру (далее входящий в камеру поток), определяемому по формуле:The technical result is achieved due to the fact that the spacer inserts have a wedge-shaped shape and are located so that the substrates are inclined relative to each other at an angle β equal to the angle of the diverging neutron flux from the compact sample under study (hereinafter referred to as the sample) falling into each chamber (hereinafter referred to as the included flow into the chamber), determined by the formula:

где Where

2h - ширина камер со стороны входящего в камеру потока;2h is the width of the chambers from the side of the flow entering the chamber;

R - расстояние от образца до середины первой анодной проволочки, определяемой со стороны входящего в камеру потока. При этом сам детектор приобретает веерную конструкцию и размещается так, что нейтроны падают на поверхность катода на входе в каждую камеру под одинаковым малым углом α, задаваемым от 1 до 5 градусов. Как вариант исполнения, каждая анодная плоскость разделяет содержащую ее камеру на равные части, кроме того, дополнительно между крепежными элементами и анодными держателями, а также между крепежными элементами и держателями подложек установлены пружинные элементы.R is the distance from the sample to the middle of the first anode wire, determined from the side of the flow entering the chamber. In this case, the detector itself acquires a fan-shaped design and is placed so that neutrons fall on the surface of the cathode at the entrance to each chamber at the same small angle α, set from 1 to 5 degrees. As an embodiment, each anode plane divides the chamber containing it into equal parts; in addition, spring elements are additionally installed between the fastening elements and the anode holders, as well as between the fastening elements and the substrate holders.

Предложенная совокупность признаков обеспечивает технический эффект за счет формирования клиновидной формы камер и сборки из них веерной конструкции детектора. Такая конструкция детектора регистрирует весь расходящийся от образца поток нейтронов при одинаковых условиях для всех камер. При этом образец находится на заданном фиксированном расстоянии R. Высокая эффективность обеспечивается тем, что на входе во все камеры нейтроны падают на поверхность катода под одинаковым малым углом а от 1° до 5° и тем, что применяются тонкие подложки из металлической фольги или полимерных пленок, стабильность натяжения которых выполняют пружинные элементы. Высокая плоскостность, сохраняющаяся при подаче высокого напряжения между катодом и анодными проволочками, создает возможность уменьшения ширины газовой камеры и шага (расстояния) между анодными проволочками, что приводит к увеличению скорости счета и улучшению пространственного и временного разрешения детектора тепловых и холодных нейтронов. Описание фигур.The proposed set of features provides a technical effect by forming a wedge-shaped chamber and assembling a fan-shaped detector structure from them. This detector design records the entire neutron flux diverging from the sample under the same conditions for all chambers. In this case, the sample is located at a given fixed distance R. High efficiency is ensured by the fact that at the entrance to all chambers neutrons fall on the cathode surface at the same small angle a from 1° to 5° and by the fact that thin substrates made of metal foil or polymer films are used , the tension stability of which is provided by spring elements. High flatness, maintained when high voltage is applied between the cathode and the anode wires, makes it possible to reduce the width of the gas chamber and the pitch (distance) between the anode wires, which leads to an increase in the counting rate and an improvement in the spatial and temporal resolution of the thermal and cold neutron detector. Description of the figures.

Фиг. 1. Детектор нейтронов (корпус не показан)Fig. 1. Neutron detector (housing not shown)

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

4 - анодные проволочки;4 - anode wires;

5 - держатель подложки;5 - substrate holder;

6 - панелька ламелей стрипов;6 - panel of strip lamellas;

7 - ламели стрипов;7 - strip lamellas;

8 - дистанционная вставка;8 - spacer insert;

9 - пружинные элементы;9 - spring elements;

11 - анодный держатель;11 - anode holder;

12 - анодная панелька;12 - anode socket;

13 - анодные ламели;13 - anode lamellas;

14 - стяжка (крепежные элементы);14 - screed (fasteners);

15 - стойка (крепежные элементы);15 - stand (fasteners);

16 - натяжитель пружинных элементов;16 - tensioner of spring elements;

17 - основание детектора;17 - detector base;

18 - компактный исследуемый образец (или образец);18 - compact test sample (or sample);

19 - поток нейтронов, испускаемых образцом 18;19 - neutron flux emitted by sample 18;

ϕ - угол расходимости падающего в детектор потока нейтронов от образца 18.ϕ is the divergence angle of the neutron flux incident on the detector from sample 18.

Фиг. 2. Устройство катода, сформированного на подложке.Fig. 2. Arrangement of the cathode formed on the substrate.

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

5 - держатель подложки;5 - substrate holder;

6 - панелька ламелей стрипов;6 - panel of strip lamellas;

7 - ламели стрипов;7 - strip lamellas;

8 - дистанционная вставка;8 - spacer insert;

9 - пружинные элементы;9 - spring elements;

10 - крепежные отверстия.10 - mounting holes.

Фиг. 3. Устройство стриповой системы, сформированной на подложке.Fig. 3. Design of a strip system formed on a substrate.

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

5 - держатель подложки;5 - substrate holder;

6 - панелька ламелей стрипов;6 - panel of strip lamellas;

7 - ламели стрипов;7 - strip lamellas;

8 - дистанционная вставка;8 - spacer insert;

9 - пружинные элементы;9 - spring elements;

10 - крепежные отверстия.10 - mounting holes.

Фиг. 4. Устройство анода.Fig. 4. Anode structure.

4 - анодные проволочки;4 - anode wires;

8 - дистанционная вставка;8 - spacer insert;

9 - пружинные элементы;9 - spring elements;

10 - крепежные отверстия10 - mounting holes

11 - анодный держатель;11 - anode holder;

12 - анодная панелька;12 - anode socket;

13 - анодные ламели.13 - anode lamellas.

Фиг. 5. Схема детектора в сечении.Fig. 5. Cross-sectional diagram of the detector.

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

4 - анодные проволочки;4 - anode wires;

n - направление движения нейтронов;n is the direction of neutron movement;

2h - ширина камер;2h - chamber width;

L - длина катода;L - cathode length;

b - размер чувствительной области катода;b is the size of the cathode sensitive area;

β - угол наклона подложек друг относительно друга в каждой камере;β is the angle of inclination of the substrates relative to each other in each chamber;

ϕ - угол расходимости падающего в детектор потока нейтронов от образца;ϕ is the divergence angle of the neutron flux incident on the detector from the sample;

α - угол падения нейтронов на поверхность катода на входе в камеры (максимальный угол падения потока нейтронов на поверхность катода);α is the angle of incidence of neutrons on the cathode surface at the entrance to the chambers (maximum angle of incidence of the neutron flux on the cathode surface);

α-β - угол падения нейтронов на поверхность катода в месте, максимально удаленном от образца (минимальный угол падения нейтронов на поверхность катода).α-β is the angle of incidence of neutrons on the cathode surface in a place as far as possible from the sample (minimum angle of incidence of neutrons on the cathode surface).

Фиг. 6. Схема сечения одной из камер, поясняющая работу детектора. Центральная область вырезана. Стрелки справа - электрические сигналы, снимаемые с анодных проволочек 4 и со стрипов 3.Fig. 6. Cross-sectional diagram of one of the chambers, explaining the operation of the detector. The central area has been cut out. The arrows on the right are electrical signals taken from the anode wires 4 and from the strips 3.

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

4 - анодные проволочки4 - anode wires

n - направление движения нейтронов;n is the direction of neutron movement;

α - угол падения нейтронов на поверхность катода на входе в камеры (максимальный угол падения потока нейтронов на поверхность катода);α is the angle of incidence of neutrons on the cathode surface at the entrance to the chambers (maximum angle of incidence of the neutron flux on the cathode surface);

β - угол наклона подложек друг относительно друга в каждой камере;β is the angle of inclination of the substrates relative to each other in each chamber;

α-β - угол падения нейтронов на поверхность катода в месте, максимально удаленном от образца (минимальный угол падения нейтронов на поверхность катода);α-β is the angle of incidence of neutrons on the cathode surface in a place as far as possible from the sample (minimum angle of incidence of neutrons on the cathode surface);

- угол наклона подложки относительно анодной плоскости, делящей камеру, образованную подложками, пополам; - the angle of inclination of the substrate relative to the anode plane dividing the chamber formed by the substrates in half;

d - физическая толщина катода из слоя 10B4C;d is the physical thickness of the cathode from the 10 B 4 C layer;

dэф - эффективная длина пути нейтронов в слое 10B4C;d eff - effective neutron path length in the 10 B 4 C layer;

d1 - глубина места захвата нейтрона в слое 10B4C;d 1 is the depth of the neutron capture site in the 10 B 4 C layer;

h - расстояние анодные проволочки - катод и анодные проволочки - стрипы;h - distance anode wires - cathode and anode wires - strips;

h+Δh - максимальная величина расстояния анодные проволочки - катод и анодные проволочки - стрипы, увеличенная вследствие того, что подложки развернуты;h+Δh is the maximum value of the distance anode wires - cathode and anode wires - strips, increased due to the fact that the substrates are deployed;

s - расстояние между анодными проволочками;s is the distance between the anode wires;

Li - окружность радиуса, равного длине пробега частицы 7Li;Li is a circle of radius equal to the particle path length 7 Li;

Не - окружность радиуса, равная длине пробега частицы 4Не.He is a circle of radius equal to the path length of a 4 He particle.

В предлагаемой конструкции детектора, изображенной на схеме фиг. 5, из-за размещения подложек под малым углом β относительно друг друга, ширина каждой камеры линейно увеличивается в направлении движения потока нейтронов, то есть происходит линейное увеличение расстояния анодные проволочки - катод и анодные проволочки - стрипы от h до h+Δh. Это приводит к ослаблению напряженности поля по длине камеры, уменьшающим газовое усиление в камере, что вносит погрешность в регистрации нейтронов. Оценку этого влияния поясняет рисунок фиг. 5 и рисунок фиг. 6. Область регистрации расходящегося потока определяется размером b чувствительной зоны детектора. Падающий поток нейтронов имеет угол расхождения ϕ, определяемый выражением Например, для чувствительной области 200×200 мм2 при расстоянии R до образца, равным 2 м, 5 м и 15 м угол у составляет 5.7°, 2.3° и 0.8°, соответственно. При ширине камер 2h=4 мм в каждую камеру будут входить нейтроны с углом расходимости 0.11°, 0.05° и 0.016°, соответственно, которые равны углу β наклона подложек. При этом угол падения нейтронов на катод вдоль его длины L уменьшается от угла α до угла α-β. Для детектора, установленного на расстоянии до образца R=2 м при угле α=2° минимальный угол составляет α-β=1.89°, который влияет на эффективность регистрации, увеличивая ее с 67% до 68,5% [4], то есть дает максимальный прирост эффективности не более 2,2%. Длина катода составляет Для такой длины наклон подложек на угол β=0.11° приводит к увеличению ширины камеры на 2Δh=L sin β=0.2 мм. Разброс расстояния анод-катод от среднего значения составляет около 5%, то есть Изменение расстояния анод-катод линейно изменяет газовое усиление. Таким образом, при расстоянии R=2 м до образца дополнительная погрешность измерений составляет ±5%. При дальнейшем увеличении расстояния R до образца дополнительная погрешность стремительно убывает и учитывать ее не нужно. При расстоянии до образца R≤2 м желательно учитывать влияние геометрии камеры, особенно при по канальной регистрации с анодных проволочек. Так как изменение эффективности в первом приближении можно считать линейным, то применим коэффициент, получаемый при калибровке, что позволяет достаточно просто учитывать влияние наклона подложек.In the proposed detector design, shown in the diagram of Fig. 5, due to the placement of the substrates at a small angle β relative to each other, the width of each chamber increases linearly in the direction of the neutron flow, that is, there is a linear increase in the distance anode wires - cathode and anode wires - strips from h to h+Δh. This leads to a weakening of the field strength along the length of the chamber, reducing the gas gain in the chamber, which introduces an error in the detection of neutrons. The assessment of this influence is illustrated by the figure in Fig. 5 and figure fig. 6. The area of registration of the divergent flow is determined by the size b of the sensitive zone of the detector. The incident neutron flux has a divergence angle ϕ, determined by the expression For example, for a sensitive area of 200×200 mm 2 with a distance R to the sample equal to 2 m, 5 m and 15 m, the angle y is 5.7°, 2.3° and 0.8°, respectively. With a chamber width of 2h=4 mm, neutrons with divergence angles of 0.11°, 0.05° and 0.016°, respectively, which are equal to the substrate tilt angle β, will enter each chamber. In this case, the angle of incidence of neutrons on the cathode along its length L decreases from angle α to angle α-β. For a detector installed at a distance to the sample R=2 m at an angle α=2°, the minimum angle is α-β=1.89°, which affects the registration efficiency, increasing it from 67% to 68.5% [4], that is gives a maximum increase in efficiency of no more than 2.2%. The length of the cathode is For such a length, tilting the substrates at an angle β=0.11° leads to an increase in the chamber width by 2Δh=L sin β=0.2 mm. The spread of the anode-cathode distance from the average value is about 5%, that is Changing the anode-cathode distance linearly changes the gas gain. Thus, at a distance of R=2 m to the sample, the additional measurement error is ±5%. With a further increase in the distance R to the sample, the additional error rapidly decreases and does not need to be taken into account. When the distance to the sample is R≤2 m, it is advisable to take into account the influence of the chamber geometry, especially during channel recording from anode wires. Since the change in efficiency in the first approximation can be considered linear, we will apply the coefficient obtained during calibration, which makes it possible to quite simply take into account the influence of the tilt of the substrates.

Конструкция катода поясняется рисунком фиг. 2. В качестве подложки 1 применяют либо металлическую, например, алюминиевую фольгу толщиной от 14 до 50 мкм, либо полимерную пленку толщиной от 10 до 30 мкм из радиационно-стойкого материала, например полиимида или лавсана. При подаче на катод высокого напряжения (до 4000 В) на подложку 1 воздействуют электростатические силы взаимного притяжения подложки 1 и анодных проволочек 4. Для исключения прогиба подложки 1, ее натягивают в плоскость с большим усилием. Это натяжение обеспечивают держатели 5 подложки, к которым прикрепляют противоположные стороны подложки 1. Как один из вариантов, в качестве держателей 5 подложки взята пластина из нержавеющей стали толщиной 2 мм, имеющая на торцах отверстия 10 для крепления стяжки 14, предназначенной для стяжки составных частей детектора в единую сборку. Для исключения пробоя высокого напряжения, подаваемого на катод, пластину держателей 5 подложки покрывают слоем электроизолирующего материала, например, обклеивают полиимидной или лавсановой пленкой толщиной 400 мкм. Для получения катодов, одинаковых по ширине, применяют оправку, в которой к пластинам держателей 5 подложки, размещаемым на одинаковом фиксированном расстоянии, приклеивают натянутую с одинаковым усилием подложку 1. Для этого применяют вспомогательную рамку большую, чем требуемый размер подложки, на которую с определенным усилием натягивают подложку 1 с заранее сформированными на ней катодом 2 и стрипами 3. Функцию катода 2 выполняет слой карбида бора 10B4C, который наносят на одну сторону подложки 1 с помощью вакуумного плазменного распыления мишени магнетрона из карбида бора В4С, обогащенного по изотопу 10B до величины не менее 95%. Толщина d слоя карбида бора 10B4C зависит от выбранного при проектировании угла α падения нейтронов на слой конвертера. Например, для α=2° используется толщина d=3,5 мкм. Толщина выбирается в соответствии с выражением dэф=d/sinα. Эффективная длина dэф пути нейтронов в слое 10B4C увеличивается по сравнению с физической толщиной d в 28,65 раз и становится dэф=100,3 мкм. Расчеты, выполненные в работе [4] показали, что для толщины d=3,5 мкм через подложку (для α=2°) пройдет не более 10% нейтронов с длиной волны и менее 1% нейтронов с длиной волны 2 . В случае применения подложек из полимерных пленок, слой карбида бора наносится на полимерную подложку. Стриповая система сформирована на обратной стороне подложки 1. Стрипы 3 из тонкого слоя алюминия получают, например, методом распыления алюминия в вакууме через маску на подложку 1 из алюминиевой фольги, предварительно покрытую слоем диэлектрика, необходимого для электрической изоляции стрипов 3 от алюминиевой подложки 1. В качестве диэлектрика применяют, например, оксид алюминия Al2O3, который получают пассивированием подложки перед нанесением карбида бора 10B4C. Толщина слоя алюминиевых стрипов 3 должна быть достаточной для создания токопроводящих проводников и составляет, например, около 70-100 нм. Ширина стрипов 4 мм, зазор между стрипами 0,2-0,5 мм. В случае применения в качестве подложки 1 полимерных пленок, стрипы 3 наносят без изолирующего слоя, прямо на подложку. Гибкая панелька 6 с ламелями 7 стрипов размещают со стороны, противоположной исследуемому образцу. Гибкую панельку 6 приклеивают к подложке 1. К стрипам 3 токопроводящим клеем прикрепляют проводники (на рисунке не показаны) из тонкой проволоки, второй конец которых припаивают к ламелям 7 стрипов.The design of the cathode is illustrated in Fig. 2. As a substrate 1, either metal, for example, aluminum foil with a thickness of 14 to 50 microns, or a polymer film with a thickness of 10 to 30 microns made of a radiation-resistant material, for example polyimide or lavsan, is used. When high voltage (up to 4000 V) is applied to the cathode, the substrate 1 is affected by the electrostatic forces of mutual attraction between the substrate 1 and the anode wires 4. To prevent deflection of the substrate 1, it is pulled into a plane with great force. This tension is provided by substrate holders 5, to which the opposite sides of the substrate 1 are attached. As one of the options, a 2 mm thick stainless steel plate is taken as substrate holders 5, having holes 10 at the ends for attaching a tie 14, designed to tie the components of the detector into a single assembly. To avoid breakdown of the high voltage supplied to the cathode, the substrate holder plate 5 is covered with a layer of electrically insulating material, for example, covered with a polyimide or lavsan film 400 microns thick. To obtain cathodes of the same width, a mandrel is used in which a substrate 1 stretched with the same force is glued to the plates of the substrate holders 5, placed at the same fixed distance. For this, an auxiliary frame is used, larger than the required size of the substrate, onto which with a certain force stretch the substrate 1 with a cathode 2 and strips 3 pre-formed on it. The function of the cathode 2 is performed by a layer of boron carbide 10 B 4 C, which is applied to one side of the substrate 1 using vacuum plasma sputtering of a magnetron target from boron carbide B 4 C, enriched in the isotope 10 B to a value of at least 95%. The thickness d of the boron carbide layer 10 B 4 C depends on the angle α of neutron incidence on the converter layer chosen during design. For example, for α=2° the thickness d=3.5 µm is used. The thickness is selected in accordance with the expression d eff = d/sinα. The effective length d eff of the neutron path in the 10 B 4 C layer increases compared to the physical thickness d by 28.65 times and becomes d eff = 100.3 μm. Calculations performed in [4] showed that for a thickness d=3.5 µm, no more than 10% of neutrons with a wavelength of and less than 1% of neutrons with wavelength 2 . In the case of using substrates made of polymer films, a layer of boron carbide is applied to the polymer substrate. The strip system is formed on the back side of the substrate 1. Strips 3 from a thin layer of aluminum are obtained, for example, by spraying aluminum in a vacuum through a mask onto the substrate 1 made of aluminum foil, previously coated with a layer of dielectric necessary for electrical isolation of strips 3 from the aluminum substrate 1. B As a dielectric, for example, aluminum oxide Al 2 O 3 is used, which is obtained by passivating the substrate before applying boron carbide 10 B 4 C. The thickness of the layer of aluminum strips 3 should be sufficient to create conductive conductors and is, for example, about 70-100 nm. The width of the strips is 4 mm, the gap between the strips is 0.2-0.5 mm. In the case of using polymer films as a substrate 1, strips 3 are applied without an insulating layer, directly onto the substrate. A flexible panel 6 with lamellas 7 strips is placed on the side opposite to the sample under study. The flexible socket 6 is glued to the substrate 1. Conductors (not shown in the figure) made of thin wire are attached to the strips 3 with conductive glue, the second end of which is soldered to the lamellas of the 7 strips.

При сборке анода предварительно натянутые анодные проволочки 4 толщиной от 15 до 50 мкм прикрепляют с помощью клея к анодным держателям 11, выполненным аналогично держателям 5 подложки. Для этого также применяют оправку, к которой прикрепляют анодные проволочки 4 с шагом s=2 мм, натянутые с усилием, зависящим от толщины анодной проволочки 4. Проволочки 4 толщиной 20 мкм натягивают с усилием в 70 г. К каждой пластине держателя 11 прикрепляют панельки 12 с ламелями 13. Число ламелей 13 на панельке 12 соответствует половинному количеству анодных проволочек 4, что позволяет четные проволочки 4 припаять к ламелям 13 с одной стороны, а нечетные проволочки 4 - к ламелям 13 с противоположной стороны.When assembling the anode, pre-tensioned anode wires 4 with a thickness of 15 to 50 microns are attached with glue to the anode holders 11, made similarly to the substrate holders 5. For this, a mandrel is also used, to which anode wires 4 are attached with a pitch of s = 2 mm, tensioned with a force depending on the thickness of the anode wire 4. Wires 4 with a thickness of 20 microns are tensioned with a force of 70 g. Sockets 12 are attached to each plate of the holder 11 with 13 lamellas. The number of 13 lamellas on socket 12 corresponds to half the number of anode wires 4, which allows even 4 wires to be soldered to 13 lamellas on one side, and 4 odd wires to 13 lamellas on the opposite side.

Сборку детектора осуществляют в следующей последовательности. К основанию 17 прикрепляют стойки 15. Затем к держателям 5 подложки и держателям 11 анодных проволочек прикрепляют пружинные элементы 9. Далее собирают сборку из последовательно устанавливаемых подложки 1 на держателях 5 и анодных проволочках 4 на держателях И, начиная и заканчивая подложкой 1, с установкой между ними дистанционных рамок 8. Подложки 1 на держателях 5 устанавливают так, чтобы в собранном детекторе ламели 7 были обращены в противоположную сторону от образца и луч от образца попадал на катод 2 подложки 1. Анодные проволочки 4 на держателях 11 устанавливают так, чтобы анодные проволочки 4 делили пополам образуемое пространство между подложками 1. Для формирования сборки в отверстия 10 в держателях 5 и 11 вставляют стяжки 14. Сборку устанавливают между стойками 15 и соединяют пружинные элементы с натяжителями 16. После этого выполняют натяжение каждой подложки 1 и натяжение анодных проволочек 4 с помощью регулирования растяжения соответствующих им пружинных элементов 9 до заданного усилия за счет смещения соответствующих натяжителей 16 пружинных элементов. Смещение натяжителей 16 выполняют, например, с помощью вращения винтов, входящих в конструкцию натяжителей 16. Натяжители 16 в своей конструкции имеют фиксирующий элемент, например изображенную на рисунке фиг. 1 гайку, не дающую возможность ослабления натяжения. После выполнения всех настроек стяжками 14 сжимают собранную сборку в единое целое. Контроль установки детектора в положение с расчетным углом а относительно образца проверяют, например, с помощью лазерной указки и подстраивают дополнительными юстирующими приспособлениями (на рисунке не показаны).The detector is assembled in the following sequence. The racks 15 are attached to the base 17. Then spring elements 9 are attached to the substrate holders 5 and the anode wire holders 11. Next, an assembly is assembled from sequentially installed substrate 1 on holders 5 and anode wires 4 on holders I, starting and ending with substrate 1, with installation between them spacer frames 8. The substrates 1 on the holders 5 are installed so that in the assembled detector the lamellas 7 are facing in the opposite direction from the sample and the beam from the sample hits the cathode 2 of the substrate 1. The anode wires 4 on the holders 11 are installed so that the anode wires 4 divided in half the space formed between the substrates 1. To form the assembly, tie rods 14 are inserted into the holes 10 in the holders 5 and 11. The assembly is installed between the posts 15 and the spring elements are connected to the tensioners 16. After this, each substrate 1 is tensioned and the anode wires 4 are tensioned using regulating the stretching of the corresponding spring elements 9 to a given force by displacing the corresponding tensioners 16 of the spring elements. The displacement of the tensioners 16 is carried out, for example, by rotating the screws included in the design of the tensioners 16. The tensioners 16 in their design have a locking element, for example, shown in the figure in FIG. 1 nut that does not allow tension to loosen. After all the settings have been completed, the assembled assembly is compressed into a single unit using ties 14. The installation of the detector in the position with the calculated angle a relative to the sample is checked, for example, using a laser pointer and adjusted with additional adjusting devices (not shown in the figure).

Принцип работы детектора поясняется схемой сечения одной из камер, показанной на фиг. 6. Для лучшего рассмотрения центральная область сечения вырезана. Схема приведена для ширины камеры 2h=4 мм. Анодные проволочки 4 разделяют ширину камеры пополам, поэтому расстояние анодные проволочки 4 - катод 2 и расстояние анодные проволочки 4 - стрипы 3 составляет h=2 мм. При этом шаг между анодными проволочками 4 составляет s=2 мм. Толщина слоя карбида бора 10B4C d=3,5 мкм. На схеме толщина слоя карбида бора, толщина подложки и толщина стрипов показана увеличенной не в масштабе. Регистрируемый нейтрон n входит в катод 2, состоящий из слоя карбида бора 10B4C, под минимальным углом α-β=1.89°. Захват нейтрона изотопом 10B происходит на глубине d1. При его распаде образуются две частицы 7Li и 4Не, разлетающиеся равновероятно в противоположные стороны в любом направлении телесного угла 4π. Длина пробега частиц в материале конвертера из карбида бора 10B4C составляет для 7Li - 1,7 мкм, для 4Не - 3,4 мкм (G. Albani, et al "Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters" Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9p) [5], G. Nowak и др. "In-kind detector activity @ HZG for the ESS detector group", https://studylib.net/doc/9502615/am-cld---ess-indico [6]). На фиг. 6 окружностями разного радиуса условно показан возможный пробег этих частиц в материале 10B4C. Из глубины d1<1,7 мкм, в газовую среду камеры выходит либо частица 7Li, либо частица 4Не, в зависимости от направления разлета. В связи с равновероятным разлетом частиц количество регистрируемых частиц пропорционально величине телесного угла с вершиной в точке захвата нейтрона, ограничивающегося линией пересечения радиусов пробега с поверхностью слоя карбида бора, который тем больше, чем меньше глубина d1. Если разлетающиеся частицы не окажутся в этом телесном угле, то нейтрон обнаружен не будет. Если же захват нейтрона произойдет на глубине d1>1,7 мкм, то обнаружение нейтрона за счет регистрации частицы 7Li не будет, так как из слоя материала 10B4C эта частица не выйдет. Регистрация нейтронов в газовой камере осуществляется за счет того, что частицы 7Li и 4Не имеют высокие начальные энергии, составляющие для 4Не 1.47 МэВ (в 6% случаях 1.77 МэВ) и для 7Li 0.84 МэВ (в 6% случаях 1.01 МэВ). Потенциал ионизации рабочего газа аргона 15 эВ. Попавшие в газ частицы ионизуют газ с образованием на пути движения трек ионно-электронных пар. На рисунке фиг. 6 условно показан путь частицы и образованные электрон-ионные пары. Электроны, как легкие и подвижные частицы, направляются к ближайшим анодным проволочкам 4, имеющим диаметр, порядка 20 мкм. Благодаря столь малому диаметру вблизи анодных проволочек 4 образуется высокая напряженность электрического поля, в котором электроны, получая энергию при ускорении, производят вторичную ионизацию (газовое усиление). В результате вблизи анодной проволочки 4 возникает электронная лавина. Электроны лавины уходят на создавшие их анодные проволочки 4, а ионы дрейфуют в направлении к катоду 2 и к стрипам 3. С каждой анодной проволочки 4 считывается электрический сигнал (показан стрелкой), определяющий координату Y точки захвата нейтрона (с учетом поправки на h). Ионное облако индуцирует на стрипах 3 зарядовый импульс, величина которого пропорциональна ширине m стрипа (m=4 мм). Импульс считывается независимо с каждого стрипа (показан стрелкой) и определяет координату X точки захвата нейтрона. С одной стороны, уменьшение ширины m стрипа улучшает точность определения координаты X. С другой стороны, амплитуда сигнала пропорциональна площади стрипа. Поэтому поиск центра тяжести импульсов со стрипов с помощью математической обработки можно улучшить разрешение по координате X.The operating principle of the detector is illustrated by a cross-sectional diagram of one of the chambers shown in Fig. 6. For better viewing, the central sectional area is cut out. The diagram is shown for a chamber width of 2h=4 mm. Anode wires 4 divide the width of the chamber in half, so the distance anode wires 4 - cathode 2 and the distance anode wires 4 - strips 3 is h = 2 mm. In this case, the pitch between the anode wires 4 is s=2 mm. The thickness of the boron carbide layer is 10 B 4 C d=3.5 µm. In the diagram, the thickness of the boron carbide layer, the thickness of the substrate and the thickness of the strips are shown enlarged and not to scale. The detected neutron n enters cathode 2, consisting of a layer of boron carbide 10 B 4 C, at a minimum angle α-β=1.89°. Neutron capture by the 10 B isotope occurs at a depth d 1 . During its decay, two particles 7 Li and 4 He are formed, scattering equally likely in opposite directions in any direction of the solid angle 4π. The path length of particles in the converter material made of boron carbide 10 B 4 C is for 7 Li - 1.7 μm, for 4 He - 3.4 μm (G. Albani, et al "Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters" Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9p) [5], G. Nowak et al. "In-kind detector activity @ HZG for the ESS detector group", https://studylib .net/doc/9502615/am-cld---ess-indico [6]). In fig. 6 circles of different radii conventionally show the possible range of these particles in the 10 B 4 C material. From a depth d 1 <1.7 μm, either a 7 Li particle or a 4 He particle emerges into the gaseous environment of the chamber, depending on the direction of expansion. Due to the equally probable dispersion of particles, the number of registered particles is proportional to the value of the solid angle with the vertex at the neutron capture point, limited by the line of intersection of the travel radii with the surface of the boron carbide layer, which is larger the smaller the depth d 1 . If the scattering particles do not end up in this solid angle, then the neutron will not be detected. If neutron capture occurs at a depth d 1 >1.7 μm, then the detection of a neutron due to registration of a 7 Li particle will not occur, since this particle will not come out of the layer of 10 B 4 C material. Registration of neutrons in a gas chamber is carried out due to the fact that 7 Li and 4 He particles have high initial energies, amounting to 1.47 MeV for 4 He (in 6% of cases 1.77 MeV) and for 7 Li 0.84 MeV (in 6% of cases 1.01 MeV) . The ionization potential of the working gas argon is 15 eV. Particles that enter the gas ionize the gas and form a track of ion-electron pairs along the path of movement. In the figure fig. Figure 6 conventionally shows the path of the particle and the electron-ion pairs formed. Electrons, as light and mobile particles, are directed to the nearest anode wires 4, which have a diameter of about 20 microns. Due to such a small diameter, a high electric field strength is formed near the anode wires 4, in which electrons, receiving energy during acceleration, produce secondary ionization (gas amplification). As a result, an electron avalanche occurs near the anode wire 4. The avalanche electrons go to the anode wires 4 that created them, and the ions drift towards the cathode 2 and strips 3. An electrical signal is read from each anode wire 4 (shown by an arrow), which determines the Y coordinate of the neutron capture point (taking into account the correction for h). The ion cloud induces a 3 charge pulse on the strips, the magnitude of which is proportional to the width m of the strip (m=4 mm). The pulse is read independently from each strip (shown by an arrow) and determines the X coordinate of the neutron capture point. On the one hand, reducing the strip width m improves the accuracy of determining the X coordinate. On the other hand, the signal amplitude is proportional to the strip area. Therefore, searching for the center of gravity of pulses from strips using mathematical processing can improve the resolution along the X coordinate.

Высокая плоскостность, сохраняющаяся при подаче предельно высокого напряжения между катодом и анодными проволочками, позволяет создавать камеры шириной до 2h≤3 мм, устойчиво работающих при напряжении до 4000 В в плазменном режиме газового разряда (Б.Ж. Залиханов «Особенности электронной лавины в режиме большого газового усиления», Письма в ЭЧАЯ. 2006. Т. 3, №2(131). С. 81-100 [7]). Временное разрешение и максимальная загрузка детектора определяются ячейкой газовой камеры, т.е. расстоянием h между анодной проволочкой и катодом и расстоянием s между анодными проволочками, а именно произведением s⋅h. В работе [7] измерена длительность анодного сигнала по основанию в режиме столь большого газового усиления, которая составила ≈ 5 нс. Чтобы продукты от захвата нейтронов не выходили в соседнюю ячейку камеры, толщина конвертора выбрана равной d=3,5 мкм. При этом эффективная "толщина" конвертера на пути нейтронов составляет dэф=100 мкм, что обеспечивает захват падающих нейтронов более 95% [4].High flatness, maintained when extremely high voltage is applied between the cathode and anode wires, makes it possible to create chambers up to 2h≤3 mm wide, operating stably at voltages up to 4000 V in the plasma gas discharge mode (B.Zh. Zalikhanov “Features of an electron avalanche in a large gas amplification", Letters to ECHAYA. 2006. Vol. 3, No. 2 (131), pp. 81-100 [7]). The time resolution and maximum load of the detector are determined by the cell of the gas chamber, i.e. the distance h between the anode wire and the cathode and the distance s between the anode wires, namely the product s⋅h. In [7], the duration of the anode signal at the base was measured in the mode of such a high gas amplification, which was ≈ 5 ns. To prevent products from neutron capture from escaping into the adjacent cell of the chamber, the thickness of the converter is chosen to be d=3.5 µm. In this case, the effective “thickness” of the converter along the path of neutrons is d eff = 100 μm, which ensures the capture of incident neutrons by more than 95% [4].

Claims (7)

1. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца, представляющий собой герметичный корпус, включающий в себя одинаковые газовые многопроволочные пропорциональные камеры (далее камеры), заключенные между тонкими подложками из радиационно-стойкого материала, закрепленными с двух противоположных сторон на держателях подложки так, что образуется плоскость; катод в каждой камере сформирован на одной стороне подложки из материала, обогащенного изотопом 10В; анод выполнен из установленных в ряд с определенным шагом анодных проволочек, размещенных перпендикулярно направлению входящего в камеру излучения нейтронов, концы проволочек закреплены на анодных держателях так, что образуют анодную плоскость, делящую камеру на две части; между анодными держателями и держателями подложек размещены дистанционные вставки, задающие ширину камер, отличающийся тем, что дистанционные вставки имеют клиновидную форму и расположены так, что подложки наклонены по отношению друг к другу на угол β равный углу расходящегося потока нейтронов от компактного исследуемого образца (далее образец), попадающего в каждую камеру (далее входящий в камеру поток), определяемому по формуле:1. A position-sensitive detector of radiation of thermal and cold neutrons from a compact test sample, which is a sealed housing that includes identical gas multi-wire proportional chambers (hereinafter referred to as chambers), enclosed between thin substrates made of radiation-resistant material, fixed on two opposite sides to substrate holders so that a plane is formed; the cathode in each chamber is formed on one side of the substrate from a material enriched with the 10 V isotope; the anode is made of anode wires installed in a row with a certain pitch, placed perpendicular to the direction of neutron radiation entering the chamber, the ends of the wires are fixed to the anode holders so that they form an anode plane dividing the chamber into two parts; Between the anode holders and the substrate holders there are spacer inserts that set the width of the chambers, characterized in that the spacer inserts are wedge-shaped and are located so that the substrates are inclined relative to each other at an angle β equal to the angle of the diverging neutron flux from the compact sample under study (hereinafter referred to as the sample ), entering each chamber (hereinafter the flow entering the chamber), determined by the formula: где Where 2h - ширина камер со стороны входящего в камеру потока;2h is the width of the chambers from the side of the flow entering the chamber; R - расстояние от образца до середины первой анодной проволочки, определяемой со стороны входящего в каждую камеру потока;R is the distance from the sample to the middle of the first anode wire, determined from the side of the flow entering each chamber; при этом сам детектор приобретает веерную конструкцию и размещен так, что нейтроны падают на поверхность катода на входе в каждую камеру под одинаковым малым углом а от 1 до 5 градусов;in this case, the detector itself acquires a fan-shaped design and is placed so that neutrons fall on the surface of the cathode at the entrance to each chamber at the same small angle a from 1 to 5 degrees; 2. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца по п. 1, отличающийся тем, что каждая анодная плоскость разделяет содержащую ее камеру на равные части;2. A position-sensitive detector of radiation of thermal and cold neutrons from a compact test sample according to claim 1, characterized in that each anode plane divides the chamber containing it into equal parts; 3. Позиционно-чувствительный детектор излучения тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца по п. 1, отличающийся тем, что держатели подложки и анодные держатели снабжены пружинными элементами.3. A position-sensitive detector of thermal and cold neutron radiation from a compact test sample according to claim 1, characterized in that the substrate holders and anode holders are equipped with spring elements.
RU2023125284A 2023-10-02 Position-sensitive detector of thermal and cold neutrons from compact analysed sample RU2816244C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816244C1 true RU2816244C1 (en) 2024-03-27

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
RU183457U1 (en) * 2018-02-12 2018-09-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons
RU2788834C1 (en) * 2022-04-26 2023-01-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) Position-sensitive detector of slow and fast neutrons

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
RU183457U1 (en) * 2018-02-12 2018-09-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Two-coordinate thin-film gas-filled detector of thermal and cold neutrons
RU2788834C1 (en) * 2022-04-26 2023-01-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) Position-sensitive detector of slow and fast neutrons

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Starostin et al. Measurement of K− p→ η Λ near threshold
Giomataris Development and prospects of the new gaseous detector “Micromegas”
Charpak et al. Some developments in the operation of multiwire proportional chambers
Gobbi et al. A highly-segmented ΔE-time-of-flight wall as forward detector of the 4π-system for charged particles at the SIS/ESR accelerator
Nicholls et al. Performance of an electromagnetic lead/scintillating-fibre calorimeter for the H1 detector
Suzuki et al. Prototype AT-TPC: Toward a new generation active target time projection chamber for radioactive beam experiments
US20060043308A1 (en) Micro neutron detectors
RU2676952C1 (en) Device for detection of slow neutrons
Piscitelli et al. Study of a high spatial resolution 10B-based thermal neutron detector for application in neutron reflectometry: the Multi-Blade prototype
Battiston et al. The “Roman pot” spectrometer and the vertex detector of experiment UA4 at the CERN SPS collider
Dangendorf et al. Thermal neutron imaging detectors combining novel composite foil convertors and gaseous electron multipiers
RU2816244C1 (en) Position-sensitive detector of thermal and cold neutrons from compact analysed sample
Shirahashi et al. Performance of the TOPAZ time projection chamber
Alder et al. A high-resolution pair spectrometer for medium energy photons
Clark et al. Test results from a precision drift chamber vertex detector prototype using dimethylether
Kii et al. A time projection chamber for the study of nuclear photodisintegration
RU2797497C1 (en) Position-sensitive gas detector of thermal and cold neurons
Zhu et al. A ceramic-gem neutron detector with a wide neutron-flux measurement range for the beam monitoring at china spallation neutron source
Shapira et al. A three dimensional beam profile monitor based on residual and trace gas ionization
Wakhle et al. The coincident fission fragment detector (CFFD)
RU2788834C1 (en) Position-sensitive detector of slow and fast neutrons
Pierroutsakou Gas detectors for nuclear physics experiments
Angelis et al. Test results with a novel high-resolution wire chamber with interpolative pad readout
Gunsing et al. MicroMegas-based detectors for time-of-flight measurements of neutron-induced reactions
Yamaguchi et al. Double-differential cross section measurement with low threshold detector for proton production induced by several tens of MeV protons