ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА, ФОТОНИКА

И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

УДК 66.085.5

ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ

РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА», Анапа, Россия

^*E-mail: Yra.gol.98@yandex.ru

Разобраны причины применения нейтронных детекторов в метеорологии. Рассмотрены различные методы ре-

гистрации нейтронов. Приведены характеристики современных наиболее эффективных нейтронных детекто-

ров. Предложены пути развития направления по мониторингу солнечного излучения.

ВВЕДЕНИЕ

ранее не известные формы воздействия солнечной

Первые методы регистрации нейтронного излу-

радиации на всю биосферу Земли.

чения появились более века назад. С течением вре-

В связи с тем, что нейтроны - это незаряжен-

мени, методы регистрации нейтронного излучения

ные ядерные частицы, обычные методы регистра-

совершенствовались и находили всё больше новых

ции заряженных частиц не способны их фиксиро-

сфер применения.

вать. Методы регистрации нейтронов основаны на

В конце 40-х годов двадцатого века, в ходе экс-

использовании различных типов взаимодействия

периментов, было обнаружено, что состав сол-

нейтронов с атомными ядрами. При столкновении

нечной радиации включает в себя нейтроны раз-

с ядром водорода (протоном) нейтрон может пере-

личных энергий. В тот момент стало ясно, для

дать всю свою энергию протону, который, будучи

наблюдения за солнечной активностью необхо-

заряженной частицей, может быть зарегистрирован

димо использовать приборы регистрации потока

обычным способом. Такой процесс, называемый

нейтронов. Таким образом, в 50-е годы прошлого

упругим рассеянием.

века появилась мировая сеть нейтронных монито-

ров. На сегодняшний день она состоит более чем

ПЕРВЫЕ СПОСОБЫ

из 50 станций мониторинга космического излу-

РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ

чения, расположенных по всем уголкам земного

Камера Вильсона была изобретена в далёком

шара.

1912 году (рис. 1). Вильсон в течение многих лет

Помимо мировой сети, также в 1957 году появи-

исследовавшим физику образования облаков в ат-

лась российская национальная наземная сеть стан-

мосфере. Проходя через перенасыщенный пар,

ций космических лучей. Сеть обеспечивает уни-

заряженная частица оставляет за собой след из

кальную возможность для исследования свойств

капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых

гелиосферы и получения важнейших характери-

размеров.

стик для диагностики и прогноза возмущений в

В начале 1950-х годов Д. Глейзер, исходя из ана-

околоземном космическом пространстве. В состав

логии с камерой Вильсона, нашёл иной фазовый

сети входит 14 станций космических лучей и 3

переход, который тоже позволяет визуализировать

станции стратосферного зондирования.

следы частиц. В его приборе используется перегре-

Благодаря станциям мониторинга космического

тая жидкость, которая вскипает вблизи центров за-

излучение возможно определение и предсказание

родышеобразования, которыми служат ионы. Про-

магнитных бурь в атмосфере Земли. В связи с но-

ходя через такую жидкость, частица оставляет за

выми и более совершенными методами регистра-

собой след из пузырьков.

ции потока нейтронов возможны новые исследо-

Пузырьковые камеры и камеры Вильсона по-

вания и эксперименты, которые позволят выявить

зволяют видеть следы частиц. Это означает, что

ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

использовались в ядерной физике в 1930-1960 го-

дах, но потом уступили место более совершенным

конструкциям детекторов.

СОВРЕМЕННЫЕ НЕЙТРОННЫЕ

ДЕТЕКТОРЫ И ИХ ПРИНЦИП РАБОТЫ

Действие современных нейтронных детекторов

основано на регистрации вторичных частиц, обра-

зующихся в результате взаимодействия нейтронов

с атомными ядрами. Для регистрации медленных

используются ядерные реакции расщепления лёг-

ких ядер под действием нейтронов [¹⁰B(n, α)⁷Li,

⁶Li(n, α)³H и ³He(n, p)¹H] с регистрацией α-частиц

и протонов; деления тяжёлых ядер с регистрацией

Рис. 1. Камера Вильсона

осколков деления; радиационный захват нейтронов

ядрами (n, γ) с регистрацией γ-квантов, а также воз-

буждения искусственной радиоактивности.

положение частицы может быть определено с точ-

Для регистрации α-частиц, протонов и оскол-

ностью до размера видимой капельки или пузырь-

ков деления применяются ионизационные камеры

ка, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают

и пропорциональные счётчики, которые заполняют

в магнитное поле. Это приводит к искривлению

газообразным BF₃ и др. газами, содержащими B

траекторий заряженных частиц, обратно пропор-

или ³H, либо покрывают их стенки тонким слоем

циональному их импульсу. При этом положитель-

твёрдых B, Li или делящихся веществ. Конструк-

но заряженные частицы отклоняются в одном на-

ция и размеры таких камер и счётчиков разноо-

правлении, а отрицательно заряженные - в другом.

бразны. Пропорциональные счётчики могут дости-

Таким образом, в дополнение к пространственной

гать 50 мм в диаметре и 2 м длины. Наибольшей

картине, которую дают эти приборы, они позволя-

эффективностью к тепловым нейтронам обладают

ют измерить импульс частицы и определить знак

нейтронные детекторы, содержащие ¹⁰B или ³He.

её заряда.

Для регистрации медленных нейтронов исполь-

Искровая камера - это прибор для наблюде-

зуются также сцинтилляционные счётчики (на кри-

ния и регистрации траекторий заряженных частиц

сталлах LiI с примесью Eu, на сцинтиллирующих

(рис. 2).

литиевых стеклах, либо смеси борсодержащих ве-

Искровая камера - трековый детектор заря-

ществ и сцинтиллятора ZnS).

женных частиц, в котором след частицы образует

Сцинтилляционные нейтронные детекторы мо-

цепочка искровых электрических разрядов вдоль

гут регистрировать быстрые нейтроны по прото-

траектории её движения. Искровые камеры широко

нам отдачи в органических и водородсодержащих

жидких сцинтилляторах. Некоторые тяжёлые ядра,

например ²³⁸U и ²³²Th, делятся только под действи-

ем быстрых нейтронов. Это позволяет создавать

пороговые детекторы, служащие для регистрации

быстрых нейтронов на фоне тепловых.

Рис. 2. Искровая камера

Рис.3. Детектор нейтронов СНМ-18

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

Я.Н. ГОЛУБЕВ и др.

Таблица 1. Характеристики современных нейтронных детекторов

Помехоустой-

Тип

Эффектив-

Диа-

Чувствительность,

чивость к

Напряжение

Радиатор

Наполнение

Длина, см

детектора

ность, %

метр, см

имп × см²

γ-излучению,

питания, B

Гр/ч

97% ³He + 3% Ar,

CHM-16

³He

11.6

1.8

0.1

2000

709 кПа

97% ³He + 3% Ar,

CHM-17

³He

1.8

0.1

2000

709 кПа

97% ³He + 3% Ar,

CHM-18

³He

3.2

0.1

1800

405 кПа

Нейтронные детекторы, которые широко рас-

плотности потока тепловых нейтронов (рис. 4).

пространены и используются в данный момент,

ПАК УСТН-1 включает в себя восемь трубок,

представлены в таблице.

наполненных ³He. Эффективность данного про-

Однако, несмотря на постоянные улучшения,

граммно-аппаратный комплекс более 80%.

стационарные нейтронные мониторы не дают

Данный прибор обладает рядом преимуществ,

полной информации о вариабельности нейтрон-

главное из которых - это его мобильность. ПАК

ного поля Земли. Нейтронные мониторы фикси-

УСТН-1 не является стационарным и может быть

руют поток космических нейтронных потоков в

легко и быстро перемещён в нужное место. Также

сравнительно небольшом радиусе. Поэтому для

для работы ПАК УСТН-1 не требуется каких-либо

компоновки общей картины влияния космических

дополнительных настроек, а в автономном режиме

лучей на биосферу Земли необходимы разработка

он способен проработать до 10 дней.

и создание удобных и эффективных мобильных

Повышенная эффективность измерений позво-

станций и детекторов мониторинга нейтронов. По-

ляет разрабатывать и применять новые алгоритмы

мимо создания новых детекторов, также важно и

и методы обработки данных, которые, в свою оче-

своевременно создать новые методы и программы,

редь, позволят фиксировать и даже предсказывать

которые были бы способны обрабатывать большие

землетрясения и аномальные погодные явления.

объёмы данных, предоставляя информацию о раз-

личных космических событиях.

ВЫВОДЫ

На данный момент в Военном Инновационном

Сочетание мобильности и эффективности ПАК

Технополисе «ЭРА» в лаборатории гидрометео-

УСТН-1 открывает новые перспективы измерений

рологического и геофизического обеспечения на-

космических лучей. Появляется возможность из-

ходится один из новейших детекторов тепловых

мерять космические в ранее недоступных местах

нейтронов. Программно-аппаратный комплекс

и районах, что позволит отслеживать локальную

УСТН-1 (Универсальный Счетчик Тепловых Ней-

магнитную обстановку. Глобальное покрытие тер-

тронов) предназначен для измерения величины

ритории мобильными детекторами нейтронного

излучения позволит сформировать полную и под-

робную картину магнитосферы Земли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стрелков А.В. Нейтронный детекторы [Элек-

тронный ресурс] URL: https://bigenc.ru/text/2257091

(дата обращения 21.04.2021).

2. Методы регистрации нейтронов [Электрон-

ный ресурс] URL: https://mybiblioteka.su/3-22003.

html (дата обращения 20.04.2021).

3. Чернухин Ю.И. Юдов А.А., Стрельцов С.И.

Гетерогенный сцинтилляционный детектор бы-

стрых нейтронов с высокой дискриминацией

гамма-фона // Известия Вузов. Ядерная энергетика.

2015. C. 31-39.

Рис. 4. ПАК УСТН-1

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021