Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 5, стр. 694-697

ВВЕДЕНИЕ

Позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) имеют большое применение в физике [1]. ПЧД является одним из основных элементов установки малоуглового рассеяния нейтронов, используемой для исследования сплавов [2] и магнитных структур [3]. На практике широко используются одно- и двухкоординатные газовые ПЧД, в которых конвертором нейтронов служат газы BF₃ и ³He [4, 5].

В ИЯИ РАН создан двухкоординатный ПЧД тепловых нейтронов на основе ¹⁰B [6]. Испытания детектора в потоке медленных и быстрых нейтронов до энергии 7 МэВ показали, что спектр амплитуд вторичных ядер (⁴He и ⁷Li) в области энергий от 1 до 7 МэВ зависит от энергии нейтрона. Было найдено как расчетным способом, так и в эксперименте, что при высоком пороге регистрации для второго чувствительного газового зазора преимущественно регистрируются события с ядром ⁷Li. В этом случае центр тяжести максимума в амплитудном спектре от первого газового зазора увеличивается с ростом максимальной энергии нейтронного потока. Низкая эффективность для быстрых нейтронов позволяет измерять высокую плотность и максимальную энергию потока таких нейтронов на малых расстояниях от центра источника нейтронов [7]. Однако из-за неопределенности угла вылета ядра ⁴He или ⁷Li из ядерной реакции невозможно найти начальную энергию нейтрона.

РАЗРАБОТКА ДЕТЕКТОРА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

Для определения начальной энергии нейтрона в ИЯИ РАН разрабатывается детектор быстрых нейтронов с ¹⁰B-конвертером. Принцип его работы основан на регистрации в ионизационной камере ядер ⁴He и ⁷Li, образующихся в реакции

которая является основной для быстрых нейтронов. В качестве конвертора выступает тонкий слой ¹⁰B, а ионизационная камера, состоит из двух спаренных взаимно перпендикулярных катодов, между которыми располагается анод (рис. 1).

Рис. 1.

Принцип регистрации и определения энергии нейтрона в ПЧД посредством измерения энергии и угла вылета одного из ядер ⁴He или ⁷Li: 1 – поверхность со слоем бора-10 и проволочный катод для измерения координат начальной точки трека ядра; 2 – анод; 3 – проволочный катод для измерения координат конечной точки трека ядра.

Катоды и аноды представляют собой сетку из параллельных проволок с шагом 2 мм. Зазор между анодом и каждым катодом составляет 5 мм. Внутренний объем детектора заполнен смесью газов аргона и углекислоты.

Сигналы ионизации от газовых зазоров пропорциональны частичным и полным потерям энергии ядер ⁴He и ⁷Li. Из-за малых пробегов заряженных частиц и достаточно большой толщины газового слоя для полного поглощения регистрируемого ядра, данный детектор может быть использован как ∆E–E система, и следовательно вторичные ядра могут быть идентифицированы и определены их энергии. Направление частицы (угол вылета) измеряется по срабатыванию двух пар катодных взаимно перпендикулярных проволок. Погрешность в определении угла вылета составляет ~5.7°.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДЕТЕКТОРА

Проведено Монте-Карло моделирование реакции $n + {}^{{10}}{\text{B}} \to {}^{4}{\text{He}} + {}^{7}{\text{Li}}$ в слое ¹⁰B толщиной 3 мкм и регистрацией ядер ⁴He и ⁷Li с учетом сечения реакции и ионизационных потерь в газовых зазорах.

В табл. 1 для каждой энергии нейтрона показано сечение реакции на ¹⁰B, эффективность реакции, а также эффективность регистраций каждого из ядер ⁴He и ⁷Li при условии, что ядро дало сигнал во втором газовом зазоре при пороге 100 кэВ. Малая эффективность регистрации частиц ⁴He (~10^–6) и частиц ⁷Li (~10^–8) будет полезна для регистрации высоких потоков >10⁷ см^–2 ⋅ с^–1.

Регистрируя одну из заряженных частиц (зная ее энергию и угол вылета), мы можем восстановить энергию и угол вылета второй заряженной частицы решением уравнений законов сохранения энергии и импульса, а следовательно, и энергию падающего нейтрона. Выбирая высокий порог сигнала, можно подавлять регистрацию ядер ⁴He, в этом случае для более тяжелого ядра ⁷Li детектор становится детектором полного поглощения. В зависимости от типа регистрируемой частицы, мы можем восстанавливать энергию падающего нейтрона в разных диапазонах (табл. 1).

Для определения ожидаемого энергетического разрешения по энергии нейтронов было проведено кинематическое моделирование реакции $n + {}^{{10}}{\text{B}} \to {}^{4}{\text{He}} + {}^{7}{\text{Li}}$ при разных энергиях падающих нейтронов: 3, 5 и 7 МэВ.

Энергия и угол вылета ядра ⁷Li разыгрывались с некоторыми неопределенностями, соответствующими энергетическому (∆E) и угловому (∆Θ) разрешениям детектора. Восстановление энергии падающего нейтрона проводилось решением уравнений законов сохранения энергии и импульса.

На рис. 2 показан восстановленный энергетический спектр падающего нейтрона при энергии 7 МэВ. При этом в расчетах угловое разрешение бралось ∆Θ = 5.7°, а энергетическое разрешение ∆E = 3%.

Рис. 2.

Восстановленный энергетический спектр падающего нейтрона для энергии 7 МэВ при ∆E = 3% и ∆Θ = 5.7°.

Для определения энергетического разрешения по энергии нейтрона, данный спектр аппроксимировался асимметричным гауссианом и определялась полная ширина на половине максимума (FWHM) амплитуды.

На рис. 3 показаны различные зависимости FWHM от углового и энергетического разрешений детектора для энергии нейтрона E_n = 3 МэВ (рис. 3а и 3б) и E_n = 7 МэВ (рис. 3в и 3г). Для наглядности точки соединены линией.

Рис. 3.

Зависимость FWHM от углового разрешения детектора при 1 – ∆E = 1%, 2 – ∆E = 3%, 3 – ∆E = 5%, 4 – ∆E = = 10% для а – E_n = 3 МэВ и в – E_n = 7 МэВ; зависимость FWHM от энергетического разрешения детектора при 1 ‒ ∆Θ = 1°, 2 – ∆Θ = 3°, 3 – ∆Θ = 5.7° и 4 – ∆Θ = 10° для б – E_n = 3 МэВ и г – E_n = 7 МэВ.

Для проектируемого детектора погрешности в определении угла регистрируемой частицы и ее энергии будут составлять ~5.7° и 3%, соответственно. В табл. 2 показана зависимость FWHM от энергии падающего нейтрона. Энергетическое разрешение составляет порядка 6% и слабо зависит от энергии нейтронов (в области энергий 1–7 МэВ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ИЯИ РАН разрабатывается детектор быстрых нейтронов (E_n > 1 МэВ) с ¹⁰B-конвертером, принцип работы которого заключается в регистрации вторичных ядер ⁴He и ⁷Li. Моделирование показало, что разрабатываемый детектор малую эффективность регистрации (~10^–7) вторичных ядер ⁴He и ⁷Li, что будет полезно для регистрации высоких потоков >10⁷ см^–2 ⋅ с^–1. Энергетическое разрешение детектора по энергии нейтронов оценивается ~6% и слабо зависит от энергии нейтронов (в области энергий 1–7 МэВ). В зависимости от типа регистрируемой частицы, можно восстанавливать энергию падающего нейтрона в двух диапазонах (>1 МэВ при регистрации ⁴He и >5 МэВ при регистрации ⁷Li).