Приборы и техника эксперимента, 2020, № 5, стр. 16-22

1. ВВЕДЕНИЕ

Пространственные и энергетические характеристики пучка нейтронов в малоугловом дифрактометре (рис. 1) формируются нейтроноводной системой 2, монохроматором 3 и коллимационной системой 4. Прямой пучок приходит на исследуемый образец 7, рассеянные на образце нейтроны регистрируются детектором нейтронов 9. Регистрация нейтронов в различных диапазонах переданных импульсов, а также широкий диапазон по переданному импульсу обеспечиваются перемещением детектора вдоль оси пучка. Снизить вклад рассеянных на воздухе нейтронов по пути от образца к детектору удается за счет использования вакуумируемой трубы 8, в которую помещен детектор 9.

Работа детектора 9 в вакууме предъявляет ряд требований к конструкции детектора, в частности необходимо изолировать от вакуума высоковольтную часть и придетекторную электронику. При этом максимально допустимое конструктивное давление газа в этих элементах детектора снижается до 1 атм.

В НИЦ “Курчатовский институт”–ПИЯФ (далее ПИЯФ) на основе многопроволочной пропорциональной камеры (MWPC – Multi-Wire Proportional Chamber) разработан газоразрядный позиционно-чувствительный детектор (п.ч.д.) с площадью регистрации 600 × 600 мм². В качестве конвертора нейтронов используется газовая смесь, содержащая ³He.

Детектор такого типа сочетает в себе высокую эффективность регистрации, низкую чувствительность к γ-фону источника, хорошее пространственное разрешение, широкий диапазон по площадям регистрации, стабильность рабочих характеристик и приемлемое быстродействие для большинства экспериментальных установок. Уникальность создаваемых в ПИЯФ детекторов заключается в применении специальной технологии изготовления электродов на основе сверхчистого стекла. Эта технология обеспечивает долговременное сохранение чистоты рабочего газа детектора, что существенно увеличивает ресурс работы и стабильность характеристик во времени таких детекторов по сравнению с аналогичными устройствами.

Настоящая статья посвящена описанию конструктивных особенностей п.ч.д. детектора тепловых нейтронов и регистрирующей электроники к нему.

2. ПАРАМЕТРЫ ДЕТЕКТОРА

Основные параметры газоразрядного детектора тепловых нейтронов представлены ниже:

3. КОНСТРУКЦИЯ ДЕТЕКТОРА

Детектор размещается в замкнутом газовом объеме и состоит из двух функциональных частей (рис. 2): 1) многопроволочной пропорциональной камеры, обеспечивающей газовое усиление первичного заряда и его локализацию; 2) двух дрейфовых промежутков, обеспечивающих требуемую эффективность регистрации нейтронов.

Конструкция MWPC для двухкоординатного детектора нейтронов состоит из пяти плоскостей электродов. В центре находится анод – сетка из параллельных тонких проволочек W–Au диаметром 25 мкм. Симметрично относительно плоскости анода на расстоянии 3 мм расположены два катода из стальных проволочек диаметром 55 мкм, намотанных с шагом 1 мм. Проволочки каждого катода объединены в группы (стрипы) по три.

Для регистрации двух координат электронной лавины стрипы катодных плоскостей ориентированы ортогонально друг другу. Отводы стрипов соединены с линией задержки (шаг линии равен 3 нс), используемой для съема сигналов с детектора. Также внутри корпуса на расстоянии 10 мм от катодов размещены два дрейфовых катода.

При выборе материала для корпуса детектора учитывались следующие требования:

1) достаточная механическая прочность для заполнения газовой смесью требуемого давления;

2) высокое качество герметизации для сохранения стабильности давления газовой смеси;

3) обеспечение наибольшей трансмиссии нейтронов при минимальной вероятности перерассеяния на входном окне детектора для наибольшей эффективности регистрации без потери разрешения.

На основании ранее проведенных исследований [1] дюралевых сплавов с высокой механической прочностью для корпуса был выбран сплав В95.

Для обеспечения стабильной и долговременной работы двухкоординатного детектора в условиях замкнутого газового объема требуется сохранение чистоты рабочей газовой смеси, поэтому необходимо использовать материалы, не выделяющие примеси в его объем.

Для минимизации газовыделения материалами детектора все электроды MWPC изготовлены из специализированного стекла с нанесенными на его поверхность металлическими ламелями для пайки проволочек. Такая технология позволяет подготовить газовый объем детектора перед заполнением его рабочим газом путем нагрева до температуры 100–120°С с вакуумированием. Все элементы конструкции: уплотнения, материалы изоляции, электрические компоненты, находящиеся внутри газового объема, были проверены и отобраны по минимальному газовыделению на вакуумном стенде с масс-спектрометром остаточных газов.

Для компонент линии задержки результаты проверки представлены на рис. 3. Из детального анализа спектров масс при различных температурах (от комнатной до 120°С) было выяснено, что конденсаторы и катушки индуктивности мало “газят” при нагреве. На спектрах присутствуют массы элементов, соответствующих атмосфере (H₂, O₂, H₂O, CO₂). Таким образом, при нагреве детектора до температуры 120°С газовыделения из конденсаторов и катушек индуктивности не произойдет.

Характеристическое сопротивление линии задержки выбрано равным 100 Ом с шагом отводов (между стрипами) 3 нс. Из-за необходимости установки линии задержки в замкнутом газовом объеме детектора без продува были использованы малогазящие компоненты: L = 290 ± 5% нГн тип LQ31H (типоразмер 1206) и керамические конденсаторы C = 27 ± 5% пФ тип GRM (типоразмер 0805).

4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Технология изготовления п.ч.д. включает в себя изготовление и тестирование пакета электродов MWPC, сборку и тестирование полностью собранного п.ч.д. Пакет электродов – это многослойная структура на базе конструктивных элементов из специализированного стекла. Последовательность изготовления пакета электродов представлена на рис. 4.

Конструктивно анодный и катодные электроды представляют собой стеклянную раму, с противоположных сторон которой приклеиваются стеклотекстолитовые планки с вытравленными на них контактными ламелями. На две другие противоположные стороны электрода приклеиваются ребра жесткости в виде стеклянных планок.

Склейка анодной рамы под пайку электродов и катодных рам под пайку проволочек осуществлялась в соответствии со специально разработанной методикой. Для склейки изготавливалась смесь на основе эпоксидной смолы. Чтобы избежать растрескивания стеклянных рамок при распайке проволочных сеток (температура припоя 310°С, температура рамы 120°С), электроды равномерно прогревались с помощью термического стола (термостола).

Для намотки проволочных электродов изготавливались проволочные сетки для катода и анода. Для достижения высокой однородности натяжения проволочек анода и катодов, а также высокой точности шага проволочек при изготовлении электродов применялась технология калибровочных гребенок с равномерным шагом, которая позволила обеспечить однородность шага проволочек не хуже ±20 мкм.

Перед сборкой все электроды продувались ионизированным азотом, а затем поочередно устанавливались в пакет. Однородность толщины электрода в сборе должна быть не хуже 40 мкм. До установки готового пакета в корпус детектора осуществлялось его высоковольтное тестирование с использованием тестовой газовой смеси: снимались вольт-амперные характеристики и темновые токи.

Готовый корпус был проверен на соответствие фактических и геометрических параметров элементов корпуса требуемым значениям. Была измерена деформация корпуса под рабочим давлением, проведена проверка герметичности с использованием стенда на базе гелиевого течеискателя со сверхчистым ⁴He.

В корпус был установлен пакет электродов и линия задержки. Выводы линии задержки и анода подключены к разъемам. Тестирование подключенного пакета электродов проводилось с применением газовой смеси 60%Ar + 30%CO₂ + 10%CF₄ с радиоактивным источником ⁵⁵Fe. Для подготовки газовой смеси использовались системы очистки CO₂ и CF₄, а также установка по смешению этих газов.

После того как детектор был заполнен рабочей газовой смесью ³He + СF₄, осуществлялось его итоговое тестирование на измерительном стенде с использованием источника нейтронов ²⁵²Cf.

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРА

Высокие эффективность регистрации и пространственное разрешение двухкоординатного детектора на основе MWPC определяются размерами дрейфовых промежутков и использованием газовой смеси при давлении 2–4 атм.

Собственная эффективность детектора [1, 2] определяется отношением числа актов взаимодействий к начальному числу нейтронов, падающих на поверхность детектора под нормальным углом:

где μ_x = n_xσ_x – линейный коэффициент поглощения нейтронов в веществе; n_x – концентрация атомов вещества; σ_x – полное сечение взаимодействия тепловых нейтронов; d_аl – толщина входного окна; d_Ld – толщина стеклянного катода в чувствительной области детектора; d_a – толщина газового зазора между входным окном и первым катодом.

Наибольшая эффективность регистрации достигается при минимизации влияния факторов неэффективности, таких как: входное окно детектора (потери ≈15%, сплав В95 при толщине 18 мм), газовый зазор между входным окном детектора и плоскостью первого дрейфового электрода (потери ≈25%) и стекло первого (по пучку) катода (потери 4% при толщине 2 мм). Расчетная эффективность двухкоординатного п.ч.д. с входным окном 600 × 600 мм² для ³Не представлена на рис. 5.

Пространственное разрешение детектора ограничено пробегами продуктов ядерной реакции ³Не(n, p)T. Протон и тритон разлетаются в противоположные стороны из точки ядерной реакции и из-за различных ионизационных потерь и начальных энергий частиц (E_p = 573 кэВ, E_T = 191 кэВ) центр тяжести зарядов облака первичной ионизации смещен относительно точки ядерной реакции на величину r = 0.35R_p, где R_p – пробег протона. Таким образом, пространственное разрешение детектора ограничено величиной D_цт = 2r = 0.7R_p.

Зависимость расчетного пространственного разрешения детектора от давления газа CF₄ определялась выражением:

Пробеги протона вычислялись в программе SRIM [3]. Для наполнения детектора выбрано давление ${{P}_{{{\text{CF}}}}}_{{_{4}}}$ = 1.5 атм, при котором пространственное разрешение составляло D_цт = 2.0 мм.

6. РЕГИСТРИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Для сбора и обработки данных с детектора с площадью регистрации 600 × 600 мм² в ПИЯФ разработана система регистрации данных на основе придетекторной электроники и программного обеспечения. Подобные системы ранее неоднократно создавались для научных установок, последние разработки представлены в [4, 5].

В двухкоординатном детекторе для регистрации частиц используется катодный метод съема информации на линии задержки, что позволяет с высокой точностью определять координаты при относительно малом мертвом времени, ограниченном длиной линии задержки (~1 мкс), и при минимальном количестве регистрирующих каналов электроники – по два канала на каждый катод. Линия задержки состоит из дискретных L и C элементов, распаиваемых непосредственно на выводах катодных стрипов на раме.

Импульс, возникающий на линии задержки, идет одновременно к двум ее концам: с одной стороны сигнал поступает на канал Х₁ или Y₁, с другой – на канал Х₂ или Y₂.

Координата нейтрона вычисляется по разности времен прихода импульсов на входы TDC (Time-Digital Converter):

где ХT₁ и ХT₂ – время прихода сигналов на концы линии задержки; T, нс – длина линии задержки; L – физическая длина катода вдоль координаты Х. Координата Y рассчитывается аналогично. Сложение вычисленных координат Х и Y дает положение нейтрона на плоскости.

Система регистрации данных с п.ч.д. состоит из:

– предусилителей, формирующих логические импульсы с временной привязкой к входному сигналу, поступившему с выходов линий задержки и анода; каждый предусилитель включает в себя низкошумящий предусилитель, усилитель-формирователь, дискриминатор с привязкой к вершине сформированного импульса;

– TDC – преобразователя времени в цифровой код, предназначенного для распознавания события и цифрового представления времени, когда произошло событие [6];

– программного обеспечения для сбора и предварительной обработки данных.

Регистрация событий осуществляется по схеме совпадений: сигнал с анода является стартовым, запускающим TDC в режим ожидания сигналов с X- и Y-катодов. Схема регистрирующей электроники детектора представлена на рис. 6.

PCI-подсистема представляет собой две платы, соединенные через разъем: одна плата – универсальный носитель мезонинных карт с PCI-интерфейсом и локальной 16-битной шиной, вторая – мезонинная плата, подключенная к локальной 16-битной шине носителя и выполняющая функцию цифрового 4-канального TDC. PCI-подсистема занимает один слот PCI-шины компьютера.

TDC выполнен на основе цифрового преобразователя время–код микросхемы TDC–GPX (используется в режиме 4-канального преобразователя время–код). В состав модуля также входят: микросхема FPGA (Field-Programmable Gate Array) большой степени интеграции семейства Cyclone II и одна микросхема FPGA семейства Max-V. PCI-интерфейс выполнен на основе микросхемы PCI-9030 – мост slave PCI, 16-битная локальная шина.

Для обеспечения работы PCI-подсистемы регистрирующей электроники был разработан драйвер, обеспечивающий возможность работы под управлением ОС Windows XP 10 для 32- и 64-разрядных версий ОС. Также было разработано программное обеспечение, реализующее: работу модуля в тестовом режиме; набор данных с позиционно-чувствительного детектора; сохранение данных; визуализацию данных в разных режимах, в том числе вывод 2D- и 3D-графиков, графиков данных по координатам X, Y, графиков данных по отдельным координатам X₁, X₂, Y₁, Y₂ и первичную обработку данных.

Достигнуты следующие основные характеристики:

– 4 цифровых преобразователя время–код с общим стартом;

– мертвое время модуля 3 мкс;

– дифференциальная нелинейность преобразователя время–код <5%;

– число каналов преобразователя время–код до 8192;

– чувствительность преобразователя время–код от 130 пс на 1 канал;

– пропускная способность системы на основе компьютера под управлением ОС Windows XP 10 >150 000 событий в секунду.

График пропускной способности системы при работе программного обеспечения под управлением ОС Windows XP 10 представлен на рис. 7.

Предусмотрены два режима накопления данных: гистограммный (online сортировка данных и построение спектров) и “списочный” (накопление исходных данных в персональном компьютере с последующей offline обработкой). Управление системой осуществляется через операционную систему с интеграцией в предустановленное программное обеспечение. В настоящее время заканчивается разработка нового TDC на базе FPGA-микросхемы большой степени интеграции семейства Cyclone V с интерфейсом 1 Гбит Ethernet, пропускная способность системы превышает 1 000 000 событий в секунду.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В НИЦ “Курчатовский институт”–ПИЯФ разработан двухкоординатный п.ч.д. с площадью регистрации тепловых нейтронов 600 × 600 мм² на основе многопроволочной пропорциональной камеры. В качестве метода съема информации выбран катодный метод на LC-линии задержки, которая размещена внутри детектора. Для сбора и обработки данных разработана система регистрации нейтронов, включающая в себя придетекторную и регистрирующую электронику и программное обеспечение.