ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 1, с. 179-184

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

КОМПАКТНЫЙ КАЛИБРОВОЧНЫЙ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ

НА ОСНОВЕ РАДИОНУКЛИДА²⁵²Cf И КРЕМНИЕВОГО

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДЕТЕКТОРА

Д. В. Иванов¹⁾, О. И. Коньков^1),3), И. М. Котина¹⁾, М. С. Микулич¹⁾, В. Н. Муратова¹⁾,

Н. В. Ниязова¹⁾, Д. А. Семенов¹⁾, М. В. Трушин^1)*, Е. В. Унжаков¹⁾, Е. А. Чмель¹⁾

Поступила в редакцию 21.09.2022 г.; после доработки 21.09.2022 г.; принята к публикации 22.09.2022 г.

В статье демонстрируется работа модели компактного калибровочного источника нейтронов, который

может быть использован для калибровки и определения функции отклика детекторов темной материи

и детекторов электронных антинейтрино. Рассматриваемый калибровочный источник нейтронов

представляет собой комбинацию радионуклида²⁵²Cf, который испытывает спонтанное деление с

образованием нейтронов, и оригинального кремниевого полупроводникового детектора. Последний

обеспечивает временную привязку к моменту образования нейтронов путем регистрации сигналов от

осколков деления.

DOI: 10.31857/S0044002723010099, EDN: RAEOJR

1. ВВЕДЕНИЕ

Высокий удельный выход нейтронов от²⁵²Cf

дает возможность получать нейтронные источни-

Функция отклика ядер отдачи в детекторах тем-

ки достаточной интенсивности. Энергетический

ной материи и эффективность регистрации реакции

спектр нейтронов деления хорошо описывается

обратного бета-распада нейтринными детекторами

максвелловским распределением при значении

могут быть определены с помощью источника ней-

ядерной температуры T ≈ 1.4 МэВ. Среднее зна-

тронов. Исследование и разработка компактного

чение энергии нейтронов составляет 2.3 МэВ и

калибровочного источника нейтронов с известным

наиболее вероятное 0.8 МэВ [3]. Каждое спонтан-

энергетическим спектром нейтронов и с возможно-

ное деление в²⁵²Cf сопровождается, в среднем,

стью восстановления энергии нейтронов по време-

8 гамма-квантами с энергиями около 0.9 МэВ,

ни пролета является важной задачей для успешной

которые испускаются в течение наносекунды после

реализации ряда текущих и будущих эксперимен-

деления [4]. Кроме того, в источнике²⁵²Cf всегда

тов, таких как, например, DarkSide [1] и JUNO [2].

присутствует активность, связанная с распадами

других изотопов калифорния

(²⁴⁹Cf-²⁵¹Cf), и

В данной работе мы демонстрируем работу мо-

с бета-распадами накопленных долгоживущих

дели компактного калибровочного источника ней-

осколков деления²⁵²Cf [5]. Таким образом, полный

тронов на основе²⁵²Cf, распадающегося с T1/2 =

спектр излучения источника²⁵²Cf имеет сложный

= 2.65 г по двум каналам: альфа-распад и спон-

комплексный состав.

танное деление с соотношением выхода реакции

96.91/3.09. Каждое спонтанное деление приводит

Для идентификации сигналов, связанных с ней-

к образованию двух осколков деления, а также, в

тронами, источник²⁵²Cf использовался в сочета-

среднем, 3.7 быстрых нейтронов. Среднее массовое

нии с кремниевым полупроводниковым детектором,

число легкого и тяжелого осколков деления со-

регистрирующим осколки деления и дающим вре-

ставляет 106 и 142 а.е.м., а средняя кинетическая

менную привязку к моменту эмиссии нейтронов.

энергия равна 104 и 79 МэВ соответственно [3].

Конечная скорость нейтронов позволяет отделить

сигнал, вызванный нейтроном, от сигналов, свя-

¹⁾НИЦ “Курчатовский институт” — ПИЯФ, Гатчина, Рос-

занных с мгновенным гамма-излучением. В работе

сия.

продемонстрирована возможность использования

²⁾Санкт-Петербургский государственный университет,

комбинации Si-полупроводникового детектора и

Санкт-Петербург, Россия.

³⁾ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия.

изотопа²⁵²Cf в качестве компактного калибровоч-

^*E-mail: trushin_mv@pnpi.nrcki.ru

ного источника нейтронов.

179

180

БАЗЛОВ и др.

Рис. 1. Снимок измерительной установки. Цифрами обозначены: 1 — вакуумная камера с источником²⁵²Cf и

кремниевым полупроводниковым детектором, 2 — пластический сцинтиллятор, 3 — ФЭУ-97.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

нейтрона от 1 до 10 МэВ соответственно. Коэффи-

циент гашения сцинтилляционного сигнала (потеря

Для регистрации осколков деления использо-

сцинтилляционной эффективности) для протонов

вался оригинальный кремниевый полупроводнико-

с энергией (1-10) МэВ по отношению к сигналу

вый поверхностно-барьерный детектор с тонким

электрона составляет ∼0.3.

входным окном, произведенный в ПИЯФ НИЦ

Пластический сцинтиллятор имел форму полого

КИ. Детектор имел диаметр 10 мм и был изготовлен

цилиндра высотой 25 см с внутренним диаметром

из кремниевой пластины p-типа проводимости, с

13 см и толщиной стенки 7 см. РММА цилиндр

ориентацией поверхности (111), удельным сопро-

был покрыт светоотражающей пленкой и размещен

тивлением 1 кОм × см и временем жизни носите-

внутри алюминиевого корпуса. Объем сцинтил-

лей порядка 1000 мкс. Лицевая сторона детектора

лятора просматривался тремя фотоумножителя-

была покрыта тонким слоем аморфного кремния,

ми ФЭУ-97, установленными непосредственно на

который служил пассивирующим слоем [6]. Оми-

торце цилиндра. Функция отклика сцинтилляцион-

ческий контакт создан путем напыления слоя Pd

ного детектора имеет широкое распределение, что

на всю тыльную сторону пластины, а выпрямляю-

связано с большой неоднородностью светосбора

щий — путем напыления пятна Al диаметром 7 мм

по объему детектора.

в центре лицевой стороны пластины. Проведенные

В центре сцинтилляционного цилиндра были

исследования показали, что подобный детектор

размещены источник²⁵²Cf и Si-детектор, смонти-

может выдержать воздействие до 10⁹ осколков

рованные в вакуумной камере. Характерные рас-

деления, прежде чем произойдет критическое ухуд-

стояния, отделяющие источник нейтронов от мате-

шение его рабочих параметров [7-8].

риала сцинтиллятора, составляли ∼(7-15) см. Для

Нейтроны, образующиеся при спонтанном де-

уменьшения загрузки сцинтилляционного детекто-

лении ядер²⁵²Cf, регистрировались с помощью

ра от гамма-излучения²⁵²Cf между источником и

пластического сцинтиллятора, на основе полиме-

сцинтиллятором был установлен слой свинца тол-

тилметакрилата (PMMA), в реакции упругого рас-

щиной 5 мм. Фотография измерительной установки

сеяния на протонах. Сечение (n, n^′)-реакции об-

приведена на рис. 1.

ратно пропорционально скорости нейтрона ∼1/υ и

Источник излучения, представляющий собой

уменьшается от 4 до 1 бн при увеличении энергии подложку из нержавеющей стали, с нанесенным

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

КОМПАКТНЫЙ КАЛИБРОВОЧНЫЙ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ

181

Число отсчетов/3 ч 7.5 кэВ

10⁵

10⁴

10³

2α

10²

ЛO

10¹

10⁰

100

120

Энергия, МэВ

Рис. 2. Спектр, измеренный полупроводниковым детектором. На спектре обозначены пики: α — пик, соответствующий

альфа-частицам, 2α — пик двойного совпадения альфа-частиц, ТО — пик, соответствующий осколкам деления тяжелой

группы, ЛО — пик, соответствующий осколкам деления легкой группы.

слоем²⁵²Cf под тонким защитным покрытием, был

при удвоенной энергии альфа-частиц, вызванный

установлен на расстоянии 1 см от лицевой стороны

случайными совпадениями. Оба пика использова-

полупроводникового детектора. Источник²⁵²Cf и

лись в качестве реперных точек для калибровки

Si-детектор были смонтированы в вакуумной каме-

энергетической шкалы.

ре и находились при комнатной температуре.

Спектр осколков деления имеет два широких

Сигналы с полупроводникового детектора и трех

пика, соответствующих регистрации групп легких

ФЭУ усиливались с помощью многоканального

и тяжелых осколков деления. Определенные по-

зарядочувствительного предусилителя CAEN и

ложения видимых максимумов оказались несколь-

оцифровывались с помощью

250

МГц АЦП

ко ниже ожидаемых значений, что объясняется,

CAEN. Используемое программное обеспечение

в основном, ионизационными потерями энергии

многозарядными ионами в защитном покрытии ис-

позволяет выполнять цифровое формирование, а

точника и в нечувствительном слое входного ок-

также анализировать сигналы, зарегистрирован-

на Si-полупроводникового детектора. Видно, что

ные ФЭУ и полупроводниковым детектором, в

режиме временных совпадений. Накопление спек-

спектр осколков деления отделяется от альфа-пика

тров кремниевого и сцинтилляционного детекторов

энергетическим интервалом более чем в 20 МэВ,

проводилось непрерывно в течение 3 ч.

что позволяет провести эффективное разделение

каналов распада²⁵²Cf: спонтанного деления с по-

явлением нейтронов и альфа-распада. Это важная

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

характеристика нейтронного источника, особенно

при проведении измерений, требующих абсолют-

Спектр альфа-частиц и осколков деления, заре-

ных значений потока нейтронов.

гистрированный полупроводниковым детектором,

представлен на рис. 2. На спектре отмечены пик

На рис. 3 представлен спектр сцинтилляцион-

с энергией

6.1

МэВ, соответствующий альфа-

ного детектора для суммы амплитудных сигналов

частицам, а также пик с меньшей интенсивностью

трех ФЭУ. Вклад в амплитудный спектр дают

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

182

БАЗЛОВ и др.

Число отсчетов/3 ч 1 канал

10⁴

10³

10²

10¹

10⁰

2000

4000

6000

8000

10 000

12 000

14 000

16 000

Номер канала

Рис. 3. Амплитудный спектр сцинтилляционного детектора от источника²⁵²Cf. Низкоэнергетическая часть спектра

определяется сигналами от гамма-квантов и нейтронов, спектр выше 5000 канала связан с мюонами.

как нейтроны, так и мгновенные и задержанные

ФЭУ, связанные с мгновенным гамма-излучением,

гамма-кванты, прошедшие через свинцовую защи-

не имеют временной задержки. Фоновое гамма-

ту, поскольку оба вида излучения регистрируются

излучение от продуктов распада²⁵²Cf подавлено,

сцинтиллятором. Вероятность упругого рассеяния

поскольку не коррелирует во времени со спонтан-

10 МэВ нейтрона при прохождении 7 см PMMA

ным делением. Измеренное временное распреде-

составляет 35%. Для гамма-квантов с энергией

ление сигналов ФЭУ относительно времени реги-

1 МэВ вероятность комптоновского рассеяния со-

страции осколка деления полупроводниковым де-

ставляет близкую величину — 30%. Порог сцин-

тектором представлено на рис. 4. При построении

тилляционного детектора составлял ∼0.2 МэВ,

спектра были учтены задержки, связанные с разной

позволяя регистрировать протоны отдачи с энерги-

длительностью переднего фронта импульсов ФЭУ

ей выше ∼0.6 МэВ.

и полупроводникового детектора.

Временной спектр на рис. 4 подгонялся суммой

Спектр сигналов от гамма-квантов и нейтро-

гауссова распределения для мгновенных гамма-

нов простирается до ∼5000 канала и не имеет

квантов и максвелловского распределения для

характерных особенностей из-за широкой функ-

энергетического спектра нейтронов. Свободными

ции отклика сцинтилляционного детектора и схо-

были следующие параметры: ядерная температура

жих значений энергии нейтронов и гамма-квантов.

нейтронного спектра — T, средняя дистанция,

Большие значения амплитуд на спектре рис. 3 свя-

пройденная нейтроном — d, задержка сигнала

заны с прохождением через сцинтиллятор мюонов

ФЭУ, связанная с электроникой, временное разре-

космического излучения.

шение установки — σ, а также вклад мгновенных

Для выделения сигналов от нейтронов был при-

гамма-лучей — γ и нейтронов — n. Функция,

менен времяпролетный метод. Сигналы от ней-

описывающая спектр, хорошо согласуется с экс-

тронов, образующиеся при спонтанном делении

периментом, полученное значение χ² составляет

²⁵²Cf, испытывают временную задержку до 20 нс

19.65

для 20 степеней свободы. Определенная

от момента регистрации сигнала от осколка де-

температура максвелловского спектра T = 1.24 ±

ления полупроводниковым детектором. Сигналы

± 0.18 МэВ согласуется с результатами предыду-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

КОМПАКТНЫЙ КАЛИБРОВОЧНЫЙ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ

183

Число отсчетов/3 ч 4 нс

распределение задержки

сигналов ФЭУ

Подгонка: χ² = 19.65/20

P-value: 0.48

вклад нейтронов

n = 1661 ± 213

γ = 14643 ± 505

10³

T = 1.24 ±0.18 МэВ

d = 12.4 ± 0.7 см

σ = 5.7 ± 0.1 нс

10²

10¹

10⁰

-20

Задержка, нс

Рис. 4. Временное распределение (задержка) сигнала ФЭУ относительно момента регистрации осколка деления Si

детектором. Крестиками показаны экспериментальные значения с погрешностями. Сплошная кривая — результат

подгонки используемой моделью, пунктирная — вклад максвелловского распределения.

щих измерений [3], средняя дистанция, пройденная

[7-8]. В качестве модели калибруемого детектора

нейтроном, согласуется с размерами измеритель-

использовался пластический сцинтилляционный

ной установки. Подгонка подтверждает наличие

детектор, регистрирующий нейтроны и гамма-

дополнительного вклада задержанных сигналов

излучение источника²⁵²Cf. Процедура обработки

от нейтронов в измеренный временной спектр.

сигналов позволила выделить сигнал, связанный

Избирательность к нейтронам при применении

с нейтронами и задержанным гамма-излучением.

времяпролетного метода может быть улучшена

Подтверждена возможность применения источ-

при увеличении расстояния между источником и

ника²⁵²Cf в сочетании с Si-полупроводниковым

детектором нейтронов.

детектором в качестве калибровочного источника

нейтронов. Срок службы предлагаемого калибро-

вочного источника нейтронов может составить 4-5

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

лет.

Представлены результаты работ по созданию

Работа выполнена при поддержке Российско-

компактного нейтронного источника на основе

го фонда фундаментальных исследований, проект

изотопа²⁵²Cf и кремниевого полупроводникового

№ 20-02-00571.

детектора, который планируется использовать

для калибровки детекторов темной материи и

детекторов электронных антинейтрино. Реализо-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

вана экспериментальная установка для одновре-

1. C. E. Aalseth (DarkSide Collab.), Eur. Phys. J. Plus

менных измерений энергетических и временных

133, 131 (2018).

спектров нейтронов, гамма-излучения и осколков

2. Z. Wang (JUNO Collab.), J. Phys.: Conf. Ser. 2156,

деления изотопа

²⁵²Cf. Регистрация осколков

012113 (2022).

деления проводится оригинальным кремниевым

3. G. Knoll, Radiation Detection and Measurement,

поверхностно-барьерным детектором, способным

3rd ed. (John Wiley and Sons, New York, 2000).

выдерживать флюенс до 10⁹ осколков деления

4. T. E. Valentine, Ann. Nucl. En. 28, 191 (2001).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023

184

БАЗЛОВ и др.

5. R. J. Gehrke, R. Aryaeinejad, J. K. Hartwell,

V. Muratova, N. Niyazova, D. Semenov, M. Trushin,

W. Y. Yoon, E. Reber, and J. R. Davidson, Nucl.

and E. Unzhakov, J. Phys.: Conf. Ser. 2103, 012138

Instrum. Methods Phys. Res. B 213, 10 (2004).

(2021).

6. I. M. Kotina, A. M. Danishevskii, O. I. Konkov,

8. S. Bakhlanov, N. Bazlov, I. Chernobrovkin, A. Derbin,

E. I. Terukov, and L. M. Tuhkonen, Semiconductors 48

I. Drachnev, I. Kotina, O. Konkov, A. Kuzmichev,

(9), 11672014 (2014).

M. Mikulich, V. Muratova, M. Trushin, and E. Un-

7. S. Bakhlanov, A. Derbin, I. Drachnev, O. Konkov,

I. Kotina, A. Kuzmichev, I. Lomskaya, M. Mikulich,

zhakov, J. Phys.: Conf. Ser. 2103, 012139 (2021).

COMPACT NEUTRON CALIBRATION SOURCE BASED ON²⁵²Cf

RADIONUCLIDE AND A SILICON SEMICONDUCTOR DETECTOR

N. V. Bazlov^1),2), E. F. Bubnov¹⁾, Е. А. Chmel¹⁾, A. V. Derbin¹⁾, I. S. Drachnev¹⁾,

D. V. Ivanov¹⁾, O. I. Konkov^1),3), I. M. Kotina¹⁾, M. S. Mikulich¹⁾, V. N. Muratova¹⁾,

N. V. Niyazova¹⁾, D. A. Semenov¹⁾, M. V. Trushin¹⁾, E. V. Unzhakov¹⁾

¹⁾NRC “Kurchatov Institute” — PNPI, Gatchina, Russia

²⁾Saint-Petersburg State University, St. Petersburg, Russia

³⁾Ioffe Physical-Technical Institute of Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia

This paper demonstrates the operation of a model of compact neutron calibration source suitable for

calibration and response function determination of dark matter detectors and electron antineutrino

detectors. Suggested neutron calibration source represents a combination of 252Cf isotope, which

undergoes spontaneous fission producing neutrons, and original silicon semiconductor detector. The latter

provides a time reference for the moment of neutron formation upon registration of the fission fragments.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№1

2023