Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, № 4, стр. 71-76

ВВЕДЕНИЕ

В настоящий момент во всем мире ведется активная разработка детекторов нейтронов на основе различных сцинтилляторов [1]. Связано это в первую очередь с относительной дешевизной подобных детекторов и нарастающим дефицитом газа гелий-3 [2], на основе которого можно создавать самые высокоэффективные детекторы. Помимо создания одиночных детекторов нейтронов ведется разработка позиционно-чувствительных сцинтилляционных детекторов [3–5].

Первые позиционно-чувствительные детекторы на основе сцинтилляторов создавали для физики высоких энергий. Например, в 1988 г. был описан большой детектор установки CDF [6]. Принцип работы подобных детекторов основан на создании двух массивов смещающих спектр волокон (WLS-волокон, WLS – Wave-Length Shifting), расположенных перпендикулярно друг другу, между которыми расположен чувствительный к нейтронам сцинтиллятор, например, ZnS(Ag):LiF. Для определения координаты необходимо независимое усиление и регистрация фотонов в каждом волокне. Разрешение подобных детекторов определяется в первую очередь размером WLS-волокон, которые на данный момент составляют от 0.2 и до 2 [7].

Для регистрации фотонов долгое время использовали фотоэлектронный умножитель, который характеризуется крайне низким уровнем шума и высоким коэффициентом усиления (10⁷ и более) [8, 9]. В настоящий момент при создании детекторов подобных типов все активней стали применять вместо фотоэлектронного умножителя кремниевый фотоумножитель [10], который на данный момент по рабочим параметрам приблизился к фотоэлектронным умножителям, но не имеет недостатков, присущих им (высокое напряжение питания и габариты) [9].

Одна из особенностей кремниевых фотоумножителей – достаточно низкое максимальное напряжение питания (не более 40–70 В) и высокая квантовая эффективность (до 45%) [11]. Основной минус по сравнению с фотоэлектронным умножителем – это высокий тепловой шум (около 30 кГц/мм²) [11], который связан с тепловой генерацией электронов в активной области кремния и срабатыванием одиночных ячеек.

С появлением кремниевых фотоумножителей появился новый тип позиционно-чувствительных сцинтилляционных детекторов на их основе [12], который регистрирует фотоны, возникающие непосредственно на поверхности сцинтиллятора. Данные детекторы достаточно дороги, так как для их создания требуется большое количество кремниевых фотоумножителей с независимыми предусилителями, и имеют ограниченное разрешение, связанное с размерами самого фотоумножителя.

В настоящей работе стояла задача исследовать возможность создания позиционно-чувствительного детектора по иному принципу. За основу были взяты разработанные ранее [13, 14] сцинтилляционные детекторы на базе кремниевого фотоумножителя и органического световода. В детекторе вместо WLS-волокна используется прозрачный органический световод, с помощью которого напрямую невозможно определять координату события. В отличие от WLS-волокна, в котором основные потери фотонов связаны с первичным захватом фотонов сцинтиллятора, в данном методе, где передача фотонов происходит с помощью органического стекла, потери возникают в самом световоде. Предложенный метод определения основан как раз на затухании света в световоде.

Основная идея заключается в следующем: фотоны, испускаемые при конверсии нейтронов, проходят разное расстояние. Так как световод неидеальный, в нем затухает первоначальная вспышка, соответственно, при регистрации будет различная амплитуда, связанная с различным количеством фотонов. На рис. 1 показана схема метода. В точках 1а и 1б будут различные амплитуды из-за разной длины пробега фотонов в световоде, а в точках 2a и 2б будут близкие амплитуды, так как пробеги приблизительно равны. В работе проведено моделирование как однокоординатного, так и двухкоординатного детекторов, основанных на данном методе.

Рис. 1.

Траектории фотонов при различном расположении сцинтилляционной вспышки: 1 – смещена от центра; 2 – расположена по центру; 1a, 2а и 1б, 2б – расстояния от вспышки до левого и правого кремниевых фотоумножителей соответственно.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для оценки параметров пропускания света и количества фотонов, падающих на кремниевый фотоумножитель, было проведено моделирование с помощью программы TracePro [15]. Это программа оптического моделирования рассеяния, отражения и поглощения фотонов различными средами методом Монте-Карло [16]. В отличие от более универсального программного пакета GEANT4 [17] она не позволяет моделировать взаимодействие частиц с веществом, но дает возможность достаточно легко и быстро смоделировать оптические параметры детекторов, что показано в ряде работ [18, 19]. Программа позволяет оценить заданную модель и ее оптические параметры.

Моделирование по программе TracePro разделено на несколько этапов. Первый этап работы – синтез геометрической модели оптической системы собственными средствами программы или импорт файлов в форматах SAT, IGES или STEP.

На втором этапе требуется определение источников света на сетке лучей или придание поверхностям свойств источников. Для всех смоделированных детекторов в качестве источника света использовали конус радиусом и высотой 0.0001 мм, расположенный на поверхности сцинтиллятора. Мощность, задаваемую для поверхности сферы, определяли как:

Полагали t = 1 с, λ = 460 нм. Количество фотонов 1.6 × 10⁵ [20], что соответствует количеству фотонов при захвате нейтрона сцинтиллятором ZnS(Ag):LiF. Мощность источника составила 6.9 × 10^–12 Вт, количество лучей для расчета приняли равным 10 000.

Далее осуществляли ввод параметров оптических свойств материала детектора. В качестве материала сцинтиллятора из базы программы был выбран ZnS, световода – полиметакриловая кислота. Для упрощения моделирования было принято, что все фотоны, падающие на кремниевый фотоумножитель, полностью поглощаются.

В первую очередь было проведено моделирование одиночного детектора (рис. 2). Размеры детектора: 5 мм – ширина, 50 мм – общая длина, 40 мм длина – сцинтиллятора и 5 мм – толщина. Целью данной модели было оценить, возможно ли определение координаты данным методом, и сравнить два покрытия детектора – зеркальное типа Alanod Miro [21] и диффузионный отражатель.

Рис. 2.

Внешний вид детектора: 1 – сцинтиллятор; 2 – линза типа “рыбий глаз”; 3 – кремниевый фотоумножитель.

Для оценки этих параметров измеряли поток фотонов, падающих на фотоумножители при изменении положения источника фотонов в диапазоне от 0 до 40 мм с шагом 5 мм. На рис. 3 показан процент зарегистрированных фотонов на фотоумножителе в зависимости от расстояния. Как видно из результатов моделирования, зеркальное покрытие типа Alanod Miro дает меньшее отражение, и, соответственно, до фотоумножителей доходит примерно 34% от общего количества фотонов. В отличие от него покрытие типа диффузионный отражатель крайне слабо поглощает, и до кремниевого фотоумножителя доходит примерно 77% от общего количества фотонов.

Рис. 3.

Относительное количество зарегистрированных фотонов с помощью левого (1) и правого (2) фотоумножителей с покрытиями типа: а – Alanod Miro; б – диффузионный отражатель.

Из этих измерений можно сделать вывод, что в случае органического световода подобной конфигурации оптимально использовать именно диффузионный отражатель, а не зеркальный. В реальном детекторе диффузионный белый отражатель можно изготовить, покрывая его белой фторопластовой лентой либо белой краской с диоксидом титана, например, EJ-510 [22].

ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР

На втором этапе были оценены оптические параметры двухкоординатных позиционно-чувствительных детекторов, для которых определение координат основано на затухании света в световоде. Для реализации были выбраны две модели с активной областью 50 × 50 мм и различной геометрией (рис. 4). В детекторах используется один слой сцинтиллятора. В основе первой формы детектора лежит квадрат, где сделаны скосы для крепления кремниевого фотоумножителя. Вторая форма – это квадрат с дополнительными линзами для разделения фотонов, поступающих с квадрата сцинтиллятора. Сделано это для более высокого разделения фотонов и более точного определения координаты.

Рис. 4.

Геометрия моделируемых детекторов: 1 – место расположения кремниевого фотоумножителя; 2 – сцинтиллятор, 3 – световод.

Моделирование оптических параметров, как и ранее, заключалось в движении источника света и получении количества фотонов, падающих на фотоумножители. На рис. 5 показано относительное количество фотонов на двух противоположных кремниевых фотоумножителях. Как видно, в крайних позициях эффективность сильно возрастает. Связано это с расстоянием от источника фотонов до кремниевого фотоумножителя. Это показано на рис. 6, где представлено отношение количества фотонов на противоположных кремниевых фотоумножителях. Видно, что при приближении источника фотонов к кремниевому фотоумножителю растет соотношение интенсивностей.

Рис. 5.

Относительное количество зарегистрированных фотонов с помощью первого (1) и второго (2) фотоумножителей: а – первая модель; б – вторая модель.

Рис. 6.

Соотношение интенсивностей излучения на фотоумножителях первой (1) и второй (2) формы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ

Определение координаты в детекторах подобного типа сводится к анализу амплитуд либо заряда после попадания фотонов на кремниевые фотоумножители. Для определения одной координаты нужны минимум два кремниевых фотоумножителя. Количество фотонов, выделяемых при регистрации нейтрона и дошедших до объема сцинтиллятора, связано с неоднородностями состава в объеме сцинтиллятора, различной длиной пробега вторичных частиц, а также сильно зависит от толщины сцинтиллятора. Поэтому необходимо учитывать, что информацию о координате можно получить, только регистрируя фотоны на двух кремниевых фотоумножителях, так как параметры световода и затухания постоянные.

Для определения координаты необходима предварительная калибровка детектора для получения карты отношений амплитуд в зависимости от расположения точки регистрации нейтронов. На рис. 7 показана подобная карта, смоделированная для второго варианта детектора и для двух противоположных фотоумножителей. Необходимо измерение амплитуд фотоумножителей, после становится возможным получение координаты из зависимости амплитуд детектора.

Рис. 7.

Карта соотношения интенсивностей, рассчитанная для двух противоположных кремниевых фотоумножителей в зависимости от места регистрации нейтрона.

Подобные карты можно получить моделированием, но таким способом вряд ли можно добиться высокого разрешения (более 10 мм). Связано это в первую очередь со способом изготовления, в котором возможны неоднородности при склеивании кремниевых фотоумножителей и сцинтиллятора, нанесением краски, а также отличиями в электронной части детектора. Поэтому конечное разрешение по многим параметрам зависит от ошибки измерения, шумов электроники и качественно проведенной калибровки. Учитывая опыт создания электроники и детекторов подобных типов [13, 14], можно предположить, что пространственное разрешение готового детектора будет не хуже 1–3 мм. В продолжение этой работы планируется спроектировать и провести тестирование детектора подобного типа.

ВЫВОДЫ

По результатам моделирования можно сделать вывод, что описанный метод определения координаты можно реализовать в детекторах нейтронов. В качестве покрытия детектора рекомендуется использовать диффузионный отражатель, так как он позволяет значительно увеличить сбор света. При проектировании детекторов одним из важных параметров является расстояние между кремниевыми фотоумножителями: чем оно меньше, тем больше света, и большее соотношение интенсивностей позволяет получить лучшее разрешение.

При использовании данного метода один из важных параметров – это качество электроники для усиления сигнала и регистрации фотонов. Оно оказывает сильное влияние на пространственное разрешение детектора.