Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 89-94

ВВЕДЕНИЕ

В результате взаимодействия космических лучей с атомами воздуха образуется большое количество различных частиц [1–3]. Если первичная частица имеет достаточно высокую энергию (E > > 1 ГэВ), то она производит целый каскад вторичных частиц, которые в процессе распространения в атмосфере испытывают неупругие соударения с ядрами атомов воздуха, в результате чего рождаются каскадные и испарительные нейтроны. Последние рассеиваются и поглощаются атмосферой и постепенно теряют энергию до тепловых значений (доли электронвольт).

Созданная в Полярном геофизическом институте комплексная система мониторинга позволяет регистрировать такие нейтроны в широком диапазоне энергий. Так, стандартный нейтронный монитор типа СНМ-18-NM-64 предназначен для регистрации нейтронов с энергиями Е > > 50 МэВ, а бессвинцовая секция нейтронного монитора имеет максимальную эффективность в диапазоне от тепловых и до умеренных энергий (0.025 < E < 106 эВ). Для исследования анизотропии потока нейтронов умеренных энергий был разработан направленный детектор нейтронов (н.д.н.). 20 апреля 2015 г. на станции космических лучей в дополнение к имеющемуся оборудованию был установлен и введен в эксплуатацию н.д.н. Проектирование детектора, а также расчет его чувствительности и энергетического диапазона осуществлялись с помощью численного моделирования с использованием программного пакета GEANT4 [4].

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ

Общая конструкция прибора определялась основным его назначением – обеспечить направленный прием детектируемых частиц. При моделировании н.д.н. были определены его окончательные конструктивные параметры (рис. 1).

Рис. 1.

Конфигурация н.д.н., полученная в результате моделирования при помощи пакета программ GEANT4. 1 – слой парафина; 2  – поглотитель, служащий защитным барьером от попадания тепловых нейтронов, движущихся со стороны парафинового замедлителя; 3 – верхний счетчик; 4 – треки влетающих нейтронов.

Геометрия задавалась в виде параллелепипеда из парафина, в центре верхней поверхности которого выполнена глубокая полость. Поверхность полости покрыта слоем декагидрата тетрабората натрия (бура) толщиной 2.5–3 см. В полости расположены чувствительные объемы, имитирующие работу счетчиков СНМ-18, между которыми помещены полиэтиленовые пластины различной толщины (2, 4 и 8 см). Список используемых при моделировании материалов представлен в табл. 1. Регистрация нейтронов происходила по реакции [5, 6]:

Весь процесс моделирования разделен на 2 части [4], в первой определялась эффективность регистрации н.д.н. в зависимости от количества замедлителя, во второй – тот же параметр в зависимости от угла падения частиц. В первом случае эксперимент проводился в области приемного окна с моноэнергетическими перпендикулярными пучками нейтронов по 1000 частиц, энергия которых распределена в диапазоне 10¹–10⁹ эВ (шаг изменяется логарифмически). В зависимости от толщины слоя замедлителя над верхним счетчиком оценивалось общее число событий, зарегистрированных при срабатывании счетчиков для каждого пучка. Таким образом набиралась гистограмма (рис. 2а), представляющая собой эффективность регистрации. Во втором случае движение модельного генератора частиц было организовано так, что его траектория представляла собой отрезок дуги окружности от 0° до 45° относительно центральной точки н.д.н. в плоскости, параллельной торцевой части счетчиков. Таким образом получена эффективность регистрации н.д.н в зависимости от угла прихода частицы, представленная на рис. 2б.

Рис. 2.

Эффективность регистрации нейтронов: а – в зависимости от энергии при различной толщине (цифры у кривых) промежуточного замедлителя при моделировании облучения н.д.н. потоком перпендикулярно падающих частиц; б – в зависимости от угла падения частиц (цифры у кривых) при облучении детектора потоком наклонно падающих частиц при дополнительном условии отсутствия верхней замедляющей пластины, угол наклона 0° – нейтроны падают в приемное окошко, 15° и 45° – нейтроны проходят через полиэтиленовый замедлитель и поглотитель из буры.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

По результатам моделирования были определены геометрические параметры устройства (Д × × Ш × В = 60 × 36 × 32 см) и его конструкция, фронтальная проекция которой представлена на рис. 3. В основе работы н.д.н. лежит свойство детектирующего оборудования преобразовывать поток зарегистрированных нейтронов в электрические импульсы. В качестве элементов, чувствительных к исследуемым частицам, были использованы гелиевые счетчики СНМ-18 (3) в стальной оболочке, основные технические характеристики которых представлены в табл. 2. Выбор в пользу СНМ-18 был определен, исходя из низкого значения рабочего напряжения питания, которое легко стабилизировать. Счетчики 3 установлены, как показано на рис. 3, в горизонтальном положении друг над другом в один ряд и помещены в короб 1 из парафина толщиной 15 см, который выступает в роли замедлителя нейтронов с энергиями E < 1 МэВ.

Рис. 3.

Профиль внутренней конструкции н.д.н. 1 – парафин, используемый в качестве замедлителя нейтронов до тепловых энергий; 2 – борсодержащий слой, обеспечивающий защиту от тепловых нейтронов, приходящих из направлений, отличных от диаграммы направленности н.д.н.; 3 – детектирующие элементы.

В качестве поглотителя тепловых нейтронов, приходящих из направлений, отличных от диаграммы направленности н.д.н., использовалась парафиновая вставка 2 с добавлением тетрабората натрия [7]. Вставка толщиной 2.5–3 см отделяет ряд детекторов от основного слоя замедлителя. Если толщины замедлителя достаточно, чтобы попавший в него нейтрон потерял энергию до тепловых значений, то такой нейтрон эффективно (до 95%) будет захвачен ядром бора и в счетчик не попадет. Если энергия нейтрона столь высока, что он проходит через замедлитель и поглотитель, сохранив часть своей энергии, то такой нейтрон не зарегистрируется в силу нечувствительности счетчиков к нетепловым нейтронам. Таким образом, счетчики будут регистрировать только нейтроны, попавшие в детектор через приемное окно, что обеспечивает направленность приема нейтронного потока. Дополнительно все счетчики отделены друг от друга парафиновыми пластинками толщиной 5 см. Это обеспечивает разделение по энергиям, что, в свою очередь, позволяет использовать н.д.н. и в качестве простого спектрометра. Верхний счетчик имеет наибольшую эффективность регистрации для нейтронов с тепловыми энергиями (до 1 эВ), средний чувствителен к частицам с энергиями в диапазоне 0.025 эВ–100 кэВ, а нижний – с энергиями от 100 кэВ до ~2 МэВ.

На рис. 4 представлена блок-схема н.д.н., показывающая взаимодействие между составными компонентами: питанием, устройством детектирования и системой регистрации. На детекторы подается постоянное напряжение порядка 1400 В. Полученные гелиевым счетчиком импульсы передаются на соответствующий ему усилитель-дискриминатор (рис. 5), состоящий из трех каскадов на основе операционных усилителей AD825 (AD₁–AD₃). Эти усилители являются надежными и недорогими, и с учетом быстродействия и универсальности они способны поддерживать стабильное усиление при различных нагрузках. Каждый каскад имеет рабочее усиление, равное К_у = 13, соответственно суммарный коэффициент составляет порядка 2000 при двухполярном питании ±12 В. Первый и третий каскады представляют собой простые усилители, а второй каскад – инвертирующий усилитель. Сигнал после усиления подается на компаратор LM211 (AD₄), устраняющий лишние шумы ниже 1 В. Параллельно этому сигнал подается на аналоговый выход для его последующей калибровки. Последняя осуществляется за счет изменения общего К_у для каждого усилителя-дискриминатора индивидуально. Коэффициент усиления устанавливается в процессе регулировки делителя напряжения, размещенного перед выходным каскадом. Формирователь импульсов собран на микросхеме К561ЛЕ5 (DD₁) и настроен на формирование импульсов длительностью 10 мкс (±5%).

Рис. 4.

Блок-схема направленного детектора нейтронов умеренных энергий.

Рис. 5.

Принципиальная схема используемого в работе трехкаскадного усилителя для н.д.н. AD₁–AD₃ – операционные усилители AD825; AD₄ – компаратор LM211; DD₁ – микросхема К561ЛЕ5; VT₁ – транзистор КТ3201Б; D₁ – стабилитрон Д818Е.

ИЗМЕРЕНИЕ АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Наличие у н.д.н. довольно узкой диаграммы направленности можно проверить измерениями потоков нейтронов при различных углах к горизонту. В течение месяца н.д.н. работал в трех различных позициях по отношению к вертикали: в первую неделю диаграмма была направлена вертикально вверх, во вторую – под углом 45° относительно горизонта, в третью – находилась в горизонтальном положении.

Поток нейтронов у поверхности Земли определяется не только интенсивностью космических лучей, но и локальными условиями [8]. Поскольку имеется только один прибор и проводятся измерения потоков под различными углами в разные моменты времени, необходимо вначале выполнить коррекцию изменения потоков нейтронов в период проведения эксперимента. Данные о вариациях космических лучей были взяты из работы [9]. Однако стандартный нейтронный монитор специально разработан так, чтобы локальные условия (влажность почвы, осадки) оказывали на него малое воздействие. Так как поток тепловых нейтронов у Земли является изотропным, то вариации счета в других каналах н.д.н. определялись по отношению к первому (внешнему) счетчику, для которого изменение положения н.д.н. не влияет на счет. Это обеспечивает измерение потоков энергичных нейтронов по отношению к фоновому потоку тепловых нейтронов. Поскольку полученные величины дают лишь относительные вариации, то отношение второго или третьего каналов к первому в вертикальном положении было принято в качестве базового. Это позволило нагляднее представить наличие анизотропии.

На рис. 6 во втором (угол 45°) и третьем (угол 90°) положениях н.д.н. наблюдается увеличение счета относительно первого счетчика (относительно изотропного потока тепловых нейтронов). При наклонном положении н.д.н. наблюдается увеличение потока частиц с энергией до 100 кэВ на 7.5%, а в горизонтальном – темп счета снова уменьшается. В третьем канале для нейтронов с энергиями от 100 кэВ до ~2 МэВ наблюдается возрастание потока регистрируемых частиц на ~14%. При увеличении угла наклона до 90° поток нейтронов возрастает незначительно.

Рис. 6.

График изменения темпа счета в различных направлениях: а – от второго счетчика к первому, б – от третьего счетчика к первому.

Предлагается следующее объяснение аномальному пику во втором канале. Из-за невозможности размещения на улице и для соблюдения постоянного температурного режима н.д.н. был установлен на подоконнике здания станции с очень толстыми стенами (>60 см). При вертикальном положении прибора часть его поля зрения оказалась закрытой верхней частью стены. В этом случае увеличение потока нейтронов умеренных энергий (до 100 кэВ) в наклонном под углом 45° положении н.д.н. может быть связано с тем фактом, что в этом направлении диаграмма приема прибора полностью открыта, тогда как в горизонтальном направлении поток нейтронов умеренных энергий закономерно падает. Увеличение потока нейтронов, по данным третьего канала (энергии от 100 кэВ до ~2 МэВ), в наклонном и горизонтальном положениях вполне объяснимо. Указанный энергетический диапазон приходится на пик “испарительных” нейтронов, которые испускаются ядрами атомов, возбужденных в столкновениях с первичной частицей космических лучей, в произвольном направлении. С попаданием в поле зрения различных плотных объектов поток испарительных нейтронов возрастает [10].

ВЫВОДЫ

Для совместного использования со стандартными детекторами на станции космических лучей в г. Апатиты был разработан и создан направленный детектор нейтронов, конфигурация и параметры которого определены при помощи моделирования. Регистрация потока частиц ведется по трем энергетическим каналам, что позволяет прибору работать в качестве спектрометра. На протяжении нескольких лет осуществляется непрерывный мониторинг с помощью н.д.н. В процессе эксплуатации прибор показал надежность и стабильность рабочих параметров. Данные, полученные в ходе измерения анизотропии потоков нейтронов у Земли, не противоречат опубликованным в других источниках информации расчетам и результатам моделирования. Поскольку точных данных об анизотропии потоков нейтронов у Земли и ее зависимости от энергии нейтронов на данный момент нет, использование нескольких одновременно работающих н.д.н., направленных под разными углами, могло бы внести ясность в этот вопрос.