Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 8, стр. 1087-1090

ВВЕДЕНИЕ

Большинство существующих детекторов медленных нейтронов: активационных, сцинтилляционных и газовых не обладают избирательной чувствительностью к направлению движения нейтронов. В то же время на источниках нейтронов поток, как правило, сопровождается большим фоном рассеянных нейтронов. В связи с этим измерение пространственного распределения потока нейтронов вызывает значительные трудности. Именно поэтому необходим детектор нейтронов, имеющий направленную чувствительность к потоку нейтронов. Такой детектор на основе газонаполненной сеточной камеры с чувствительными газами ³He и ⁴He, останавливающим газом CF₄, сцинтиллирующими добавками и ПЗС-камерой был предложен ранее в США [1]. Однако, газы ³He и ⁴He обладают высокой диффузией через уплотнения и тонкие стенки и требуют высокой степени герметичности. К тому же газ ³He является дорогим и редким, который распределяется по квотам США и России. Хорошей им заменой в качестве конвертера нейтронов является изотоп ¹⁰B. Он используется или в виде твердого слоя или газа ¹⁰BF₃. Такие детекторы были созданы в ИЯИ РАН [2, 3]. Недавно [4, 5] было показано, что детектор нейтронов на основе на основе 3-мкм слоя ¹⁰B и проволочной пропорциональной камеры в отличие от ³He-счетчика обладает слабой чувствительностью к фону рассеянных тепловых нейтронов, совершающих хаотическое броуновское движение в экспериментальном зале.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

В позиционно-чувствительном детекторе нейтронов (ПЧДН) чувствительный 3-мкм слой ¹⁰B нанесен на внутреннюю сторону 1.8-мм стеклянной пластины. На этот слой нанесен 0.2–0.3 мкм слой алюминия, который служит первым катодом пропорциональной камеры. В последующих двух газовых зазорах пропорциональной камеры возникают ионизационные сигналы, пропорциональные потерям энергии вторичных ядер ⁴He и ⁷Li, образованных в реакциях n + ¹⁰B → ⁴He + ⁷Li и n + ¹⁰B → ⁴He + ⁷Li + γ [4, 5].

Рассмотрим варианты событий под действием нейтрона, падающего под различными углами Θ к плоскости детектора. Если нейтрон падает перпендикулярно плоскости детектора, то ослабление потока нейтронов и потери энергии вторичного ядра в слоях бора и алюминия минимальны. Триггер события возникает с высокой вероятностью. Пусть нейтрон падает на плоскость слоя ¹⁰B под большим углом к ее нормали. Если взаимодействие нейтрона с ¹⁰B произойдет сразу после входа в слой, то энергии вторичного ядра ⁴He (или ⁷Li) может быть недостаточно, чтобы вызвать сигнал во втором газовом зазоре детектора для получения триггера события. В то же время поток нейтронов в глубине слоя ¹⁰B будет ослаблен из-за увеличенной толщины слоя бора. Для проверки этих утверждений были выполнены расчеты. Для заданного числа падающих нейтронов определялось количество событий с вылетом ядра ⁴He с учетом кинематики двух реакций и ионизационных потерь, которые вызвали сигнал во втором газовом зазоре детектора. Моделирование зависимости эффективности детектора от угла падения показало, что ее отношение к максимальной эффективности падает с увеличением угла Θ и степень падения зависит главным образом от толщины слоя алюминия и энергетического порога регистрации как показано на рис. 1. Повышение порога и увеличение толщины алюминиевого слоя приводит к усилению направленной чувствительности детектора, т.е. к большей величине отношения эффективности регистрации нейтронов, падающих к перпендикулярно плоскости детектора по сравнению с нейтронами, падающими под большими углами к нормали плоскости детектора. Однако, полная эффективность детектора при этом снижается.

Рис. 1.

Расчетная эффективность позиционно-чувствительного детектора нейтронов в зависимости от угла падения нейтронного потока. Линии: сплошная – толщина слоя алюминия l = 0.3 мкм, порог по энергии во втором газовом слое E_thr = 0.3 МэВ; штриховая – l = 0.2 мкм, E_thr = 0.3 МэВ; пунктирная – l = 0.3 мкм, E_thr = 0.2 МэВ; штрих-пунктирная – l = 0.2 мкм, E_thr = 0.2 МэВ.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Измерения проводились на источнике нейтронов на базе линейного ускорителя ЛУЭ-8 и замедлителя из полиэтилена объемом 1 м³ [6]. В геометрическом центре замедлителя располагалась мишень из ⁹Be. Поток нейтронов из мишени под углом 67° на выходе из коллиматора диаметром 3 см регистрировался ПЧДН на основе твердого слоя ¹⁰B и проволочной камеры [7] и равномерно перемещаемым за ним стандартным счетчиком на основе ³He. Это было возможно, поскольку ПЧДН обладает малым рассеянием и поглощением нейтронов за счет конструкционных материалов детектора (стекло, алюминий, газ) и практически не искажает поток. Различие в распределении потока нейтронов, измеренном ПЧДН и ³He-счетчиком, наблюдалось в эксперименте. На рис. 2 показано экспериментальное распределение нейтронов вдоль горизонтальной оси, измеренное ³He-счетчиком, расположенном на расстоянии 204 см от центра мишени. Можно заметить, что широкий поток ~10 см находится на высоком фоне рассеянных нейтронов. Фон слева значительно увеличен за счет присутствия большой массивной установки в левой части зала. На рис. 3а показано экспериментальное распределение нейтронов, измеренное ПЧДН. Можно заметить, что этот детектор с гораздо меньшей эффективностью регистрирует фон рассеянных нейтронов чем ³He-счетчик, даже от присутствующей вблизи массивной установки в несколько десятков тонн. В другом эксперименте перед детектором был установлен кадмиевый фильтр. Его граничная энергия составляет около 0.55 эВ. ³He-счетчик регистрировал лишь редкие события нейтронов. Распределение потока с энергиями E_n > 0.55 эВ, измеренное с помощью ПЧДН и представленное на рис. 3б, оказалось симметричным и соответствующим размеру и форме коллиматора на данной дистанции 204 см. При этом фон рассеянных нейтронов был подавлен.

Рис. 2.

Распределение нейтронов, измеренное на расстоянии 204 см от ⁹Be-мишени перемещаемым ³He-счетчиком.

Рис. 3.

Распределение нейтронов, измеренное на расстоянии 204 см от ⁹Be-мишени позиционно-чувствительным детектором на основе слоя ¹⁰B: медленных и быстрых нейтронов (а); быстрых нейтронов с E_n > 0.55 эВ (б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнены расчеты, показавшие, что детектор на основе твердого слоя ¹⁰B и пропорциональной камеры должен проявлять направленную чувствительность к нейтронам, падающим нормально к плоскости детектора. В эксперименте было подтверждено свойство направленной чувствительности и низкой чувствительности ¹⁰B-детектора к фону рассеянных нейтронов. Свойство направленной чувствительности этого детектора еще более ярко проявляется при детектировании быстрых нейтронов.

Работа частично выполнена в рамках темы государственного задания ФИАН № 4 “Физика конденсированного состояния: новых материалов, молекулярных и твердотельных структур нанофотоники, наноэлектроники и спинтроники”.