Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, № 4, стр. 67-70

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований освоены технологии изготовления сцинтилляционных детекторов тепловых и холодных нейтронов на основе ⁶Li в составе сцинтилляционного экрана (⁶LiF/ZnS(Ag)). По этой технологии были разработаны детектор АСТРА для фурье-стресс-дифрактометра ФСД [1, 2] и широкоапертурный детектор обратного рассеяния для фурье-дифрактометра высокого разрешения [3, 4] реактора ИБР-2 [5]. На сегодняшний день актуальной для нейтронных центров является задача создания сцинтилляционных позиционно-чувствительных детекторов (ПЧД) большой площади. Это обусловлено тем, что сцинтилляционные детекторы позволяют получить точную временнýю отметку и более просты в эксплуатации в сравнении с газовыми детекторами, использующими дорогой ³He. В настоящей работе представлен прототип сцинтилляционного ПЧД с малой рабочей площадью.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Описание детектора

В качестве детектирующей поверхности прототипа ПЧД выбрали сцинтилляционный ND-экран фирмы Applied Scintillation Technologies Ltd. [6] с рабочей площадью 96 × 96 мм² и толщиной 0.42 мм. Данный сцинтиллятор имеет эффективность конвертации нейтрона 32% (для длины волны 1.8 Å) и низкую чувствительность к гамма-квантам (10^–6). Для повышения эффективности детектора использовали четыре слоя сцинтиллятора с полной эффективностью конвертации до 78%.

Принципиальная схема детектирующей части прототипа представлена на рис. 1. Свет от сцинтилляционных экранов собирается с помощью спектросмещающих оптических волокон (фиберов) квадратного сечения размером 1 мм фирмы Bicron [7]. Одному каналу регистрации размером 6 мм соответствуют три фибера (всего 16 каналов по одной координате). Каналы разделены между собой отражателями из алюминиевой фольги толщиной 25 мкм, этой фольгой также обклеены торцы оптических волокон. Пространство между сцинтилляторами и волокнами целиком заполнено оптическим клеем Stycast 1266 [8]. Между сцинтилляторами расположен слой оптических волокон, соответствующий каналам по одной координате (Х или Y). Слои, соответствующие разным координатам, чередуются: из пяти слоев оптических волокон три соответствуют одной координате, два – другой. Волокна разных слоев, соответствующие одному каналу, объединяются с помощью специальной матрицы и подаются на два шестнадцатиканальных фотоумножителя H8711-100 фирмы Hamamatsu [9]. Детектор помещен в светоизолирующий алюминиевый корпус. Фотография прототипа ПЧД в сборе представлена на рис. 2.

Рис. 1.

Принципиальная схема детектирующей части прототипа: а – расположение оптических волокон относительно сцинтилляционных экранов; б – вид сверху, штриховой линией схематически показана одна детектирующая ячейка, границы которой соответствуют отражателям.

Рис. 2.

Фотография прототипа ПЧД в сборе. Корпус разобран.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 показана полученная двумерная гистограмма квазиоднородной засветки детектора на экспериментальном стенде. Время набора данных составило 3600 с. Наблюдаются артефакты в виде низкого счета первого канала по оси Х (обусловлено повреждением оптических волокон канала в ходе сборки детектора) и завышенного счета пяти каналов, которые могут быть скорректированы подбором соответствующих коэффициентов усиления.

Рис. 3.

Пример двумерной гистограммы квазиоднородной засветки детектора на экспериментальном стенде. Ширина канала по каждой из осей 6 мм.

Суммарная интенсивность регистрации детектора на единицу площади составила 2.1 н/см²/c. Эталонное измерение с помощью гелиевого счетчика в той же геометрии эксперимента дало величину ~30 н/см²/c. Таким образом, эффективность регистрации нейтронов детектора составила ~8% при теоретически рассчитанной эффективности конвертации нейтронов 78%. Существенное понижение данной характеристики обусловлено низкой прозрачностью сцинтиллятора относительно собственного излучения. Подобный результат был получен в [12], где эффективность регистрации нейтронов составила 6%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание сцинтилляционного детектора большой площади – сложная трудоемкая задача, требующая соответствующей аккуратности и ресурсоемкости. Использованная в данном детекторе технология расположения сцинтилляционных пластин и волокон показала достаточно низкую эффективность регистрации нейтронов. Для повышения эффективности регистрации необходимо улучшать эффективность светосбора. Для этого можно использовать сцинтилляционные экраны меньшей толщины, либо использовать альтернативные технологии расположения волокон и сцинтиллятора, например, расположение двух слоев оптических волокон между сцинтилляторами. Детектор такого типа описан в [13], эффективность регистрации нейтронов составила 100%.