РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ	(19) RU (11) 2 797 497 (13) C1
	(51) МПК G01T 3/00 (2006.01) (52) СПК G01T 3/00 (2023.02)

Статус:	действует (последнее изменение статуса: 10.06.2023)
Пошлина:	Установленный срок для уплаты пошлины за 3 год: с 16.11.2023 по 15.11.2024. При уплате пошлины за 3 год в дополнительный 6-месячный срок с 16.11.2024 по 15.05.2025 размер пошлины увеличивается на 50%.

(21)(22) Заявка: 2022129615, 15.11.2022 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 15.11.2022 Дата регистрации: 06.06.2023 Приоритет(ы): (22) Дата подачи заявки: 15.11.2022 (45) Опубликовано: 06.06.2023 Бюл. № 16 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: F. Piscitelli и др. "The Multi-Blade Boron-10-based neutron detector for high intensity neutron reflectometry at ESS". Journal of Instrumentation. 2017 JINST 12 P03013. RU 146954 U1, 20.10.2014. RU 2282215 C2, 20.08.2006. US 2013068957 A1, 21.03.2013. Адрес для переписки: 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, 6, ОИЯИ, ОИиИС

(72) Автор(ы): Колесников Александр Георгиевич (RU), Залиханов Борис Жанакаитович (RU), Боднарчук Виктор Иванович (RU), Крюков Юрий Алексеевич (RU) (73) Патентообладатель(и): Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) (RU)

(54) Позиционно-чувствительный газовый детектор тепловых и холодных нейтронов

Изобретение относится к области регистрации и измерения потока ядерных излучений, а именно к регистрации и измерению нейтронного излучения газовыми детекторами нейтронов на основе тонкого твердотельного слоя на основе изотопа бора ¹⁰В, и предназначено для применения в рефлектометрах, используемых при исследованиях структуры вещества с помощью тепловых и холодных нейтронов, а также может быть применено в дифрактометрии, в нейтронографии и других прикладных и фундаментальных исследованиях.

Изобретение является дальнейшим развитием детекторов тепловых и холодных нейтронов, представляющих собой газовые многопроволочные пропорциональные камеры (Multi Wire Proportional Chambers - MWPC), состоящие из системы электродов (анода и катода), размещенных в герметичном корпусе, заполненных газовой смесью. В таких детекторах, как правило, несколько тонких проволочек, размещенных в ряд с определенным шагом в одной плоскости, выступают в качестве анода, а катодом является размещенная на определенном расстоянии от плоскости анода токопроводящая поверхность на плоской подложке. В качестве конвертера нейтронов (преобразователя нейтронов в заряженные частицы) может выступать либо сам газ, либо тонкий слой твердотельного конвертера, нанесенного на поверхность катода. Для определения координаты места события захвата (конвертации) нейтрона используются анодные проволочки и токопроводящие параллельные полоски - стрипы (strips - полоски), нанесенные на катод и/или на дополнительно введенную в камеру подложку. При этом они ориентируются относительно фронтальной плоскости входного окна детектора таким образом, что анодные проволочки ориентированы вдоль одной координаты (например, X), а стрипы ориентированы вдоль другой координаты (соответственно, Y), a Z - координата ориентирована вдоль оси пучка нейтронов и нормали к входному окну.

Современные, в особенности строящиеся, исследовательские центры, например, ПИК (г. Гатчина, Россия), ESS (г. Лунд, Швеция) (где планируется получить самый мощный поток нейтронов для проведения исследований, что особенно важно для нейтронных рефлектометров), нуждаются в создании новых детекторов нейтронов, которые при чувствительной площади до X*Y≈500×500 мм², должны иметь по сравнению с широко применяемыми MWPC гелиевыми детекторами лучшее пространственное и лучшее временное разрешение, более высокую скорость счета и при этом не меньшую эффективность регистрации.

MWPC гелиевые детекторы, где в качестве рабочего газа и одновременно конвертера применяется газ, состоящий из изотопа гелия ³Не, ограничены скоростью счета, которая у них может достигать 10⁴ Гц/мм² (В. Guerard, R. Hall-Wilton, and F. Murtas, "Prospects in MPGDs development for neutron detection," arXiv:1410.0107, 2014 [1]), в то время, как для современных исследований необходимо иметь 10⁶ Гц/мм², что связано с плотностью падающего на образец потока нейтронов, которая, как ожидается, будет достигает более 10⁸ с^-1 см^-2 (K. Oliver и др. "Position Sensitive Detectors for the ESS", arXiv:1411.6194v1 [physics.ins-det] 23 Nov 2014, https://www.researchgate.net/publication/323874363 [2]). Детекторы на основе газа ³Не позволяют получать пространственное разрешение до 1,5×2 мм². Гелиевые детекторы по эффективности, составляющей 50-90% в диапазоне 2,5-30 , превосходят существующие детекторы, построенные по другим технологиям изготовления детекторов. Получение столь высокой эффективности регистрации нейтронов достигается увеличением плотности газа ³Не, достигаемой повышением давления до 20 бар, что приводит к необходимости применения толстого входного окна, вызывающего дополнительное рассеивание нейтронов. При повышении современных требований к детекторам недостаточно применение алюминия как материала, имеющего малую величину рассеивания нейтронов.

В работе A. Andronic, и др. "A comprehensive study of rate capability in multi-wire proportional chambers," Journal of Instrumentation, vol. 4, no. 10, p. P10014, 2009, (JINST 4: P10014, 2009) arXiv: 0909.0242 (physics.ins-det) [3] замечено, что изготовление MWPC-детекторов с применением в качестве конвертера нейтронов тонкого слоя изотопа ¹⁰В, а именно карбида бора В₄С, обогащенного по изотопу ¹⁰В до 96%, за счет подбора рабочего газа и размера газовой камеры дает возможность получать более высокое временное разрешение и более высокую скорость счета, чем в детекторах по технологии с использованием ³Не. Более того, в этих детекторах используется рабочий газ при атмосферном давлении, что позволяет применять тонкие входные окна и значительно уменьшить рассеяние нейтронов на входном окне. Эффективность регистрации нейтронов при размещении плоского твердотельного конвертера ¹⁰В перпендикулярно оси пучка нейтронов составляет до 4%. Поэтому, по совокупности этих свойств, такие детекторы подходят для применения в время-пролетных схемах измерений, как «прострельные» детекторы.

В результате захвата нейтрона изотопом бора ¹⁰В происходит возбуждение ядра и распад с образованием двух ионов - изотопа лития ⁷Li и альфа-частицы ⁴Не по двум каналам:

¹⁰B+n→⁴He (1.47 МэВ)+⁷Li (0.84 МэВ)+γ (0.48 МэВ) (94%)

¹⁰B+n→⁴He (1.77 МэВ)+⁷Li (1.01 МэВ) (6%)

Причем, частицы ⁴Не и ⁷Li разлетаются практически в противоположные стороны. С одной стороны, чем толще слой конвертера, тем большее количество нейтронов прореагирует с ним. С другой стороны, в толстом конвертере частицы ⁴Не и ⁷Li, образующиеся глубоко в толщине конвертера в результате захвата нейтрона, могут поглотиться материалом конвертора, либо испытав большие потери, выйдут в область регистрации с энергиями, близкими к порогу регистрации. В работе С. Höglund, и др. "В4С thin films for neutron detection," Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012 [4] приведены расчеты длины пробега частиц ⁴Не и ⁷Li в материале конвертера В₄С, которые составляют около 3,4 мкм для ⁴Не и 1,7 мкм для ⁷Li. Расчеты, приведенные в работе [4] показали, что для достижения максимальной эффективности регистрации нейтронов толщина конвертора должна быть около 1 мкм.

Эффективность можно значительно увеличить за счет наклона слоя конвертера относительно падающего потока нейтронов так, чтобы плоскость слоя конвертора находилась под скользящем углом α к оси пучка нейтронов. Это приводит к увеличению длины пути нейтронов в приповерхностном слое конвертора, т.е. к увеличению числа захвата нейтронов атомами ¹⁰В в приповерхностном слое и большему выходу частиц распада из слоя конвертера с много большими энергиями. Эффективная длина пробега нейтронов в конверторе (эффективная толщина) d_эф определяется по формуле d_эф=d/sinα, где d - физическая толщина конвертора. Для угла α=6°, 5° и 2° эффективная толщина d_эф становится больше физической толщины d в 9,57, 11,47 и 28,65 раз соответственно.

Среди детекторов, построенных на принципе наклонной геометрии конвертирующего слоя из карбида бора можно выделить двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов по полезной модели Российской Федерации №174185 U1 от 06.10.2017 г [5]. Детектор состоит из герметичного корпуса, заполненного смесью рабочих газов 80%Ar+20%СО₂ при атмосферном давлении на продув, в котором друг за другом размещены два детектирующих слоя. Каждый детектирующий слой состоит из чередующихся и параллельно расположенных систем электродов (катод и анод), образующих ячейки пропорциональных газовых камер, наклоненных на небольшой угол α (в примере α=6°) относительно нормали к поверхности входного окна детектора. В каждой камере по два катода. Катодами служат две параллельно установленные алюминиевые пластины-подложки, на которых нанесен с двух сторон слой конвертера, размещенные таким образом, что пластины со сплошным слоем конвертера, чередуются с пластинами, где конвертерный слой выполнен в виде стрипов, нанесенных на обе стороны подложки. При этом подложка предварительно покрыта изолятором - оксидом алюминия. Катодные пластины со стрипами размещены так, что стрипы с лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности входного окна. Анодом служат тонкие золоченные проволочки, натянутые с определенным шагом (в примере патента [5] 8 мм), плоскость которых расположена точно между плоскостями катодов. Проволочки размещены перпендикулярно стрипам катода. Если первый детектирующий слой наклонен на угол α относительно нормали к поверхности входного окна детектора и, соответственно, его катоды составляют угол α скользящего падения нейтронов, то второй детектирующий слой размещен за первым, идентичен ему, но имеет противоположный угол -α поворота ячеек пропорциональных газовых камер, при этом ячейки второго слоя сдвинуты относительно первого слоя на шаг ячейки. При размещении поверхности входного окна детектора перпендикулярно направлению нейтронного потока, нейтроны входят в конверторные слои катодных пластин под скользящими углами α для первого слоя и -α для второго. При угле α=6° поток нейтронов проходит сквозь две катодные пластины, т.е. в общем случае четыре слоя конвертера. При толщине конвертерного слоя d=1 мкм, на пути нейтронов оказывается 4 слоя d_эф, составляющих 38,3 мкм слоя конвертера ¹⁰В₄С. Авторами посчитана эффективность детектора по формуле ε=1-exp(-Nσ_nd_эф), исходя из концентрации N атомов В₄С в см³ конвертерного слоя, которая определялась отношением плотности В₄С к его молекулярной массе. Сечение захвата теплового нейтрона с энергией 0,025 эВ (длина волны 1,8 ) составляет σ_n=3844 барн. Поэтому эффективность для толщины слоя карбида бора d=1, 2, 3 мкм составляет соответственно σ=0,63, 0,86, 095, хотя отмечено, что это оценочная предельная величина.

При расчетах эффективности детектора данной конструкции не учтено рассеяние нейтронов в материале алюминиевых пластин-подложек. В детекторе применены алюминиевые пластины толщиной не менее 0,5 мм, на которые нанесены слои конвертера. Несмотря на то, что алюминий является материалом с малым рассеиванием нейтронов, рассеивание нейтронов, проходящих сквозь пластину каждого слоя, будет составлять около 5%. Это связано с увеличением эффективной толщины пластины в 9,6 раз при размещении ее под углом α=6°. Большинство рассеянных нейтронов будут регистрироваться детектором, создавая ложный фон. Кроме этого, часть падающего потока нейтронов входит в торец катодной пластины и рассеивается прежде, чем попасть в конвертерный слой, что можно рассматривать как экранирование. При шаге между ячейками 5 мм экранирующий эффект составляет 0,5/5=0,1 или 10% для каждого детектирующего слоя. Итого для всего детектора потери потока на рассеивание доходят до 30%. Рассчитанная предельная эффективность 63% для длины волны 1,8 уменьшается до 33%, причем является предельной величиной.

Недостатком детектора-аналога, построенного на принципе наклонной геометрии конвертирующего слоя из карбида бора относительно падающего потока нейтронов, является невозможность получения высокой эффективности регистрации нейтронов за счет увеличения числа слоев конвертера нейтронов, нанесенных на подложки, размещаемых на пути потока нейтронов. Это связано с рассеиванием нейтронов в подложке и экранированием торцом подложки падающего потока нейтронов.

Наиболее близким решением к настоящему изобретению, взятым за прототип, является детектор, описанный в работе авторов F. Piscitelli и др. «The Multi-Blade Boron-10-based Neutron Detector for high intensity Neutron Reflectometry at ESS» [6].

Детектор-прототип тепловых и холодных нейтронов, построенный на принципе падения потока нейтронов на конвертирующий слой из карбида под скользящем углом α, представляет собой объединенные в единый герметичный корпус параллельно стоящие многопроволочные пропорциональные камеры, заполненные рабочим газом при атмосферном давлении на продув. Камеры выполнены как одинаковые независимые ячейки со своим катодом, анодом и стриповой системой. Камеры наклонены на угол α к нормали входного окна детектора и, соответственно, к оси падающего пучка нейтронов так, что нейтроны входят в конвертер под скользящим углом этой же величины относительно плоскости катода. Аноды состоят из параллельных проволочек с одинаковым шагом s между собой, установленных перпендикулярно оси падающего пучка нейтронов и расположенных в одной плоскости, делящей ячейку камеры пополам и отстоящей от конвертерного слоя катода на расстоянии h. Концы проволочек закреплены на пластинах из изоляционного материала с контактными площадками под каждую проволочку. Шаг s определяет координату (например, Y-координату) и ее разрешение. Катоды представляют собой плоскую пластину-подложку со слоем конвертера нейтронов на основе карбида бора, обогащенного изотопом ¹⁰В, нанесенным на одну сторону. Толщина слоя конвертера d выбирается из расчета максимального поглощения потока нейтронов, падающих под скользящим углом α, значительного уменьшения количества рассеянных в подложке нейтронов, составляющих ложный фон. Вторая сторона подложки выполнена с заострением торцевой части, обращенной к падающему пучку нейтронов, на угол α, соответствующий наклону камер детектора. Заострение выполнено для уменьшения рассеяния нейтронов торцом пластины. Поэтому большая часть потока нейтронов падает на слой конвертера. Величина угла падения α, в зависимости от толщины конвертора, определяет длину пути нейтронов в конверторе и степень их поглощения. Стриповая система, представляющая собой токопроводящие параллельные полоски одинаковой ширины т, нанесенные с шагом n, и направленные по оси падающего пучка нейтронов перпендикулярно анодным проволочкам, предназначена для определения второй координаты (соответственно, X координаты). Стрипы выполнены на второй поверхности катода либо с предварительной электрической изоляцией от катода, либо на плотно прижатую к поверхности катодной пластины тонкую гибкую подложку с электрической изоляцией от катода.

Авторами детектора-прототипа проведены испытания опытного образца детектора с углом наклона катода α=5° [6]. При этом угле длина пути в слое конвертера увеличивается в 11,5 раза, т.е. составляет более 86 мкм. Расстояние анод-катод и расстояние анод-стрипы составляло h=4 мм. При этом шаг между анодными проволочками составлял s=4 мм, а ширина стрипов m=4 мм. Конвертерный слой из карбида бора, нанесенный на подложку из алюминия размером 2×100×140 мм, имел толщину 7,5 мм. Эффективность регистрации нейтронов детектором-прототипом составила 39% для нейтронов длиной волны 1,8 , 44% для 2,5 , 56% для 4,2 и 65% для 5,1 . Пространственное разрешение опытного детектора составило 0,5×2,5 мм².

В прототипе толщина слоя составляла 7,5 мкм, которая обеспечивает длину пробега для нейтронов около 86 мм. Длина пробега при ослаблении потока нейтронов в е раз (≈2,7) для тепловых нейтронов составляет 32 мкм (G. Nowak и др. "In-kind detector activity @ HZG for the ESS detector group", https://studylib.net/doc/9502615/am-cld---ess-indico [7]). Поэтому поток нейтронов ослабляется в 11,5 раз при прохождении в карбиде бора 86 мм, т.е. в подложку попадает около 10% нейтронов от падающих. Конвертирующий слой карбида бора, как правило, наносится с помощью вакуумного магнетронного распыления мишени из карбида бора. При росте пленки слоя на поверхности подложки-пластины из алюминия возникают сильные стягивающие напряжения, которые приводят к ее деформации, причем силы деформации усиливаются с увеличением толщины слоя карбида бора и сильнее проявляются в более тонких местах подложки. Кроме этого, на подложку действуют электростатические силы притяжения к анодным проволочкам. С увеличением толщины подложки влияние сил, деформирующих подложку, уменьшается. В конструкции детектора-прототипа толщина пластины составляет 2 мм, и деформации подложки практически не происходит кроме участка, где имеется заострение. При угле α=5° участок заострения имеет длину 23 мм (в 11,5 раз больше толщины), что составляет 23% от всей длины катода.

Недостатком прототипа является то, что при углах меньше 5 град деформации тонкого заостренного края влияют на работу детектора негативным образом. Так, например, при уменьшении угла наклона катода до α=2° участок заострения увеличится в 2,5 раза и станет более 57 мм. При такой длине заостренный край будет сильнее изгибаться и может возвыситься над плоскостью катода, что приведет к экранированию потока нейтронов и неправильной работе детектора. Рабочая длина катода, определяемая расстоянием катод-анод-стрипы (2h=8 мм), тоже увеличится в 2,5 раза и станет около 230 мм. Столь большие размеры катода при столь малом скользящем угле повышают требования к плоскостности катода, реализовать которые в данной конструкции не представляется возможным. Эти эффекты ограничивают минимально возможный угол α наклона катода и, следовательно, ограничивают максимально возможную эффективность детектора.

На загрузочную способность, временное и пространственное разрешение оказывает влияние расстояние s между анодными проволочками и расстояние h анод-катод. Для улучшения этих характеристик необходимо уменьшить расстояние анод-катод и шаг s между анодными проволочками. В работе Б.Ж. Залиханова «Ограничения на предельную загрузку высокоскоростных пропорциональных камер» Препринт ОИЯИ Р13 - 2006 - 118, Дубна, 2006 [8] показано, что уменьшение произведения s⋅h в k раз приводит к повышению скорости счета в k² раз. Однако из-за того, что напряженность электрического поля пропорциональна квадрату расстояния, то уменьшение этих величин повышает требования к стабильности расстояния анод-катод и анод-стрипы. В данной конструкции неоднородность расстояния анод-катод, а особенно изменение расстояния анод-стрипы в заостренной части, вызывает неоднородность в скорости счета и временном разрешении и ограничивает улучшение этих характеристик.

Недостатком прототипа являются ограничения в достижении максимально возможной эффективности детектора при регистрации нейтронов, конструкционные ограничения пространственного и временного разрешения и в достижении максимальной скорости счета.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности регистрации нейтронов, скорости счета, пространственного и временного разрешения детектора тепловых и холодных нейтронов.

Технический результат достигается за счет того, что в качестве подложки применена алюминиевая фольга или полимерная пленка из радиационно-стойкого материала, которая прикреплена с двух противоположных сторон к держателям подложки таким образом, что представляет собой плоскость; концы анодных проволочек прикреплены к аналогичным анодным держателям; дополнительно введены дистанционные вставки, задающие ширину камер и размещенные между анодными держателями и держателями подложек, а также верхние и нижние клиновидные вставки; нижние клиновидные вставки установлены между основанием и нижней камерой, верхние клиновидные вставки установлены над верхней камерой; клиновидные вставки задают угол α наклона камер от 1° до 5°; анодные держатели, держатели подложек, дистанционные и клиновидные вставки нанизаны на крепежные элементы, которые выполнены с возможностью регулирования натяжения подложек и анодных проволочек.

Предложенная совокупность признаков обеспечивает технический эффект за счет обеспечения высокой плоскостности катода при его малой толщине. Малая толщина подложки обеспечивает то, что практически весь поток нейтронов падает на слой конвертера и практически отсутствует рассеивание нейтронов на торце подложки. Высокая плоскостность и тонкий торец катода, позволяют уменьшить угол скользящего падения нейтронов на слой конвертера и увеличить эффективность регистрации нейтронов. Кроме этого, за счет высокой плоскостности, сохраняющейся при подаче предельно высокого напряжения между катодом и анодными проволочками, необходимого для создания большого газового усиления, создается возможность уменьшения ширины газовой камеры и шага (расстояния) между анодными проволочками, что увеличивает скорость счета и улучшает пространственное и временное разрешение детектора тепловых и холодных нейтронов.

Исследования узкозазорных камер, т.е. MWPC (газовых многопроволочных пропорциональных) камер с расстоянием анод-катод менее 3 мм, опубликованные в работе [8], показали, что в режиме большого газового усиления (≥10⁷) при использовании рабочего газа на основе CF₄ удается получить высокую скорость счета, достигающую 10⁶ с^-1⋅мм^-2, и временное разрешение лучше 10 нс.

Описание фигур.

Фиг. 1. Конструкция детектора. Чертеж 3D с вырезом в ¼:

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

4 - держатель подложки;

5 - гибкая панелька;

6 - ламели стрипов;

7 - анодные проволочки;

8 - анодный держатель;

9 - анодная панелька;

10 - анодные ламели;

11 - основание детектора;

12 - входное окно детектора;

13 - крепежный элемент стержень;

14 - крепежный элемент гайка стержня;

15 - крепежный элемент винт растяжки;

16 - крепежный элемент удлиненная гайка растяжки;

17 - нижняя клиновидная вставка;

18 - дистанционная вставка;

19 - направление падающего пучка нейтронов;

20 - крепежный элемент упорный фланец стержня 13;

22 - верхняя клиновидная вставка.

Фиг. 2. Устройство катода, сформированного на подложке:

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

4 - держатель подложки;

5 - гибкая панелька;

6 - ламели стрипов;

18 - дистанционная вставка;

21 - отверстия под стержни 13.

Фиг. 3. Устройство стриповой системы, сформированной на подложке:

1 - подложка;

2 - катод;

3 - стрипы;

4 - держатель подложки;

5 - гибкая панелька;

6 - ламели стрипов;

18 - дистанционная вставка;

21 - отверстия под крепежные элементы стержни 13.

Фиг. 4. Устройство анода:

7 - анодные проволочки;

8 - анодный держатель;

9 - анодная панелька;

10 - анодные ламели;

18 - дистанционная вставка;

21 - отверстия под крепежные элементы стержни 13.

Фиг. 5. Схема, поясняющая работу детектора:

1 - подложка;

2 - катод;

7 - анодные проволочки

n - нейтрон, линия движения;

α - угол наклона катода относительно нормали к входному окну, совпадающей с осью пучка нейтронов;

d - физическая толщина катода из слоя ¹⁰В₄С;

d_эф - эффективная толщина слоя ¹⁰В₄С;

d₁ - глубина в слое ¹⁰В₄С, где происходит захват нейтрона;

h - расстояние анодные проволочки - катод, равное анодные проволочки - стрипы;

s - расстояние между анодными проволочками;

Li - окружность радиуса, равного длине пробега частицы ⁷Li;

Не - окружность радиуса, равная длине пробега частицы ⁴Не;

E₁ и Е₂ - источник питания стрипов и катода, соответственно;

С_х - конденсатор развязки сигналов от стрипов, задающих X - координату;

С_у - конденсатор развязки сигналов от анодных проволочек, задающих Y - координату.

На рисунке фиг. 1 представлен 3D чертеж с вырезом в ¼, поясняющий конструкцию детектора нейтронов. На рисунке фиг. 2 показано крепление подложки из алюминиевой фольги или полимерной пленки на держателях и устройство катода. На рисунке фиг. 3 показано устройство стриповой системы. На рисунке фиг. 4 показано устройство анода. На рисунке фиг. 5 показана схема, поясняющая работу детектора.

В качестве подложки 1 применяют либо алюминиевую фольгу толщиной от 14 до 50 мкм, либо полимерную пленку толщиной от 10 до 30 мкм из радиационно-стойкого материала, например каптон (полиимид) или майлар (лавсан). При подаче на катод высокого напряжения (до 4000 В) на подложку 1 воздействуют электростатические силы притяжения подложки 1 в сторону анодных проволочек 7. Для исключения прогиба подложку 1 натягивают в плоскость с большим усилием. Это натяжение обеспечивают держатели 4 подложки, к которым прикрепляют противоположные стороны подложки 1. Как один из вариантов, в качестве держателей 4 подложки взята пластина из нержавеющей стали толщиной 3 мм, имеющая на торцах отверстия 21 под крепежные элементы стержни 13, предназначенные для нанизывания держателя 4 подложки при сборке детектора. Натяжение подложки 1 регулируют за счет крепежных элементов. Как пример исполнения, в крепежные элементы входят: стержень 13, гайка 14 стержня, винт 15 растяжки, удлиненная гайка 16 растяжки, упорный фланец 20 стержня 13. Натяжение выполняют с помощью установленных между стержнями 13 распорных растяжек, состоящих из винта 15 с навернутой на него удлиненной гайкой 16. Для исключения пробоя высокого напряжения, подаваемого на катод, держатели 4 подложки покрывают слоем электроизолирующего материала, например, обклеивают полиимидной или лавсановой пленкой толщиной 400 мкм. Для получения одинакового натяжения подложек 1, применяют оправку, в которой к держателям 4 подложки, которые устанавливают с помощью оправки на одинаковое расстояние, приклеивают натянутую с одинаковым усилием подложку 1. Для этого применяют вспомогательную рамку большего размера, чем требуемый размер подложки. При этом подложку 1 с заранее сформированными на ней катодом 2 и стрипами 3 натягивают на рамку с одинаковым определенным усилием. Функцию катода 2 выполняет слой карбида бора В₄С, который наносят на одну сторону подложки 1 с помощью вакуумного плазменного распыления мишени магнетрона из карбида бора В₄С, обогащенного по изотопу ¹⁰В до величины не менее 95%. Толщина d слоя карбида бора ¹⁰В₄С зависит от выбранного при проектировании угла α падения нейтронов на слой конвертера. Например, для α=2° использована толщина d=3,5 мкм. В соответствии с выражением d_эф=d/sinα, эффективная толщина d_эф увеличивается по сравнению с физической толщиной d в 28,65 раз и становится d_эф=100,3 мкм. На длине пробега тепловых нейтронов в материале из карбида бора, составляющей 32 мкм [7], поток нейтронов ослабляется в е≈2,7 раз. Поэтому на длине d_эф=100,3 мкм поток нейтронов ослабится в е^3,13, то есть в 22,87 раз, значит свозь слой карбида бора пройдет только около 4% от падающего потока. В случае применения подложек из полимерных пленок, слой карбида бора наносится на полимерную подложку. Стриповая система сформирована на обратной стороне подложки. Стрипы 3 из тонкого слоя алюминия получены методом распыления алюминия в вакууме через маску на подложку 18 из алюминиевой фольги, предварительно покрытую слоем диэлектрика, необходимого для электрической изоляции стрипов 3 от алюминиевой подложки 1. В качестве диэлектрика применен оксид алюминия Al₂O₃, который получен пассивированием подложки до нанесения карбида бора, как это выполнено в работе G. Albani, et al "Evolution in boron-based GEM detectors for diffraction measurements: from planar to 3D converters" Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 115902 (9p) [9]. Толщина слоя алюминиевых стрипов 3 составляет около 70-100 нм, что достаточно для создания токопроводящих проводников. Ширина стрипов 3 составляет m=4 мм, зазор между стрипами 0,2-0,5 мм. В случае применения в качестве подложки 1 полимерных пленок (каптон, майлар), стрипы 3 наносят без изолирующего слоя, прямо на подложку. Гибкая панелька 5 с ламелями 6 стрипов размещена со стороны, противоположной входному окну 12. Гибкая панелька 5 приклеена к подложке 1. К стрипам 3 токопроводящим клеем прикрепляют проводники (на рисунке не показаны) из тонкой проволоки, второй конец которых припаивают к ламелям 6 стрипов. При сборке анода предварительно натянутые анодные проволочки 7 толщиной от 15 до 50 мкм прикрепляют с помощью клея к анодным держателям 8, аналогичным держателям 4 подложки. Для этого также применена оправка, к которой по одной прикрепляют анодные проволочки 7 с шагом s=2 мм, натянутые с усилием, зависящим от толщины анодной проволочки 7. Проволочки 7 толщиной 20 мкм натягивают с усилием в 70 г. К каждой пластине держателя 8 прикреплены панельки 9 с ламелями 10. Число ламелей 10 на панельке 9 соответствует половинному количеству анодных проволочек 7, что позволяет четные проволочки 7 припаять к ламелям 10 с одной стороны, а нечетные проволочки 7 - к ламелям 10 с противоположной стороны.

Сборку детектора осуществляют в следующей последовательности. К основанию 11 прикрепляют входное окно 12. Крепежные элементы стержни 13 устанавливают в отверстия основания 11 до упора крепежных элементов упорных фланцев 20 в основание 11. Теперь осуществляют сборку элементов детектора. Сначала на крепежные элементы стержни 13 насаживают две нижние клиновидные вставки 17, так, чтобы острие клина было направлено в сторону входного окна 12. Величина угла α наклона катода 2 и всех камер детектора определяются углом нижних клиновидных вставок 17. Далее насаживают последовательно, две дистанционные вставки 18, держатели 4 с подложкой 1, еще две дистанционные вставки 18, анодные держатели 8 с анодными проволочками 7. Получают первую камеру детектора. Повторяя сборку, то есть насаживая на крепежные элементы стержни 13 две дистанционные вставки 18, держатели 4 с подложкой 1, еще две дистанционные вставки 18, анодные держатели 8 с анодными проволочками 7, получают вторую камеру детектора. Сборку повторяют до получения расчетного количества камер детектора. Завершая сборку, насаживают верхние клиновидные вставки 22 так, чтобы острие клина было направлено в сторону, противоположную от входного окна 12, и стягивают всю сборку крепежными элементами гайками 14 стержня. С помощью вращения крепежного элемента удлиненной гайки 16 растяжки относительно крепежного элемента винта 15 растяжки выполняют натяжение подложки 1 и анодных проволочек 7 в рабочее состояние.

Принцип работы детектора поясняется схемой фиг. 5. Ширина камеры 2h=4 мм. Анодные проволочки 7 разделяют ширину камеры пополам, поэтому расстояние анодные проволочки 7 - катод 2 и расстояние анодные проволочки 7 - стрипы 3 составляет h=2 мм. При этом шаг между анодными проволочками 7 составляет s=2 мм, толщина слоя карбида бора ¹⁰В₄С d=3,5 мкм. Регистрируемый нейтрон n входит в катод 2 из слоя карбида бора ¹⁰В₄С под скользящим углом α=2°. Если на глубине d₁ происходит захват нейтрона изотопом ¹⁰В, то при его развале образуются две частицы ⁷Li и ⁴Не, разлетающиеся в противоположные стороны, но равновероятно в любом направлении телесного угла 4π. Длина пробега частиц в материале конвертера из карбида бора ¹⁰В₄С составляет для ⁷Li - 1,7 мкм, для ⁴Не - 3,4 мкм [4, 7]. На фиг. 5 окружностями радиусов 1,7 мкм и 3,4 мкм показан возможный пробег этих частиц в материале ¹⁰В₄С. Из глубины d₁<1,7 мкм, в газовую среду камеры выходит либо частица ⁷Li, либо частица ⁴Не, в зависимости от направления разлета. В связи с равновероятным разлетом частиц количество регистрируемых частиц пропорционально величине телесного угла с вершиной в точке захвата нейтрона, ограничивающегося линией пересечения радиусов пробега с поверхностью слоя карбида бора, который тем больше, чем меньше глубина d₁. Если разлетающиеся частицы не попадут в этот телесный угол, то нейтрон обнаружен не будет. Если захват нейтрона произойдет на глубине d₁>1,7 мкм, то обнаружение нейтрона за счет регистрации частицы ⁷Li не будет, так как из слоя материала ¹⁰В₄С частица не выйдет. Поэтому увеличение толщины слоя при нормальном падении нейтронов значительно уменьшает эффективность регистрации нейтронов. При скользящем угле падения α=2° нейтроны в материале ¹⁰В₄С при прохождении длины равной длине пробега λ_n=32 мкм входят в слой конвертера до глубины d₁=λ_n⋅sinα=1,1 мкм, что позволяет при увеличении числа захвата нейтронов увеличить количество вышедших из конвертера частиц для регистрации в газовой камере. Это значительно увеличивает эффективность регистрации нейтронов. Если угол падения α=5°, как у прототипа, то нейтроны за свою длину пробега войдут на глубину d₁=2,8 мкм. Это уменьшает количество вышедших для регистрации частиц по сравнению с углом падения α=2° более чем на 1/3, т.е. эффективность регистрации нейтронов в предложенной конструкции детектора больше чем на 1/3 относительно прототипа. Регистрация нейтронов в газовой камере осуществляется за счет того, что частицы ⁷Li и ⁴Не имеют высокие начальные энергии, составляющие для ⁴Не 1.47 МэВ (в 6% случаях 1.77 МэВ) и для ⁷Li 0.84 МэВ (в 6% случаях 1.01 МэВ). Потенциал ионизации рабочего газа аргона 15 эВ. Попавшие в газ частицы ионизуют газ с образованием на пути движения трек ионно-электронных пар. На рисунке фиг. 5 условно показан путь частицы и образованные электрон-ионные пары. Электроны, как легкие и подвижные частицы, направляются к ближайшим анодным проволочкам 7, имеющим диаметр, порядка 20 мкм. Благодаря столь малому диаметру вблизи анодных проволочек 7 обеспечивается высокая напряженность электрического поля, в котором электроны, получая энергию при ускорении, производят ионизацию. В результате вблизи анодной проволочки 7 возникает электронная лавина. Электроны лавины уходят на создавшие их анодные проволочки 7, а ионы дрейфуют в направлении к катоду 2 и к стрипам 3. С каждой анодной проволочки 7 считывается электрический сигнал, определяющий координату Y точки захвата нейтрона (с учетом поправки на h). В связи с наклоном плоскости установленных в ряд анодных проволочек 7, разрешение по этой координате составляет s⋅sinα≈0,1 мм. Ионное облако индуцирует на стрипах 3 зарядовый импульс, величина которого пропорциональна ширине m стрипа (m=4 мм). Импульс считывается независимо с каждого стрипа и определяет координату X точки захвата нейтрона. С одной стороны, уменьшение ширины m стрипа улучшает точность определения координаты X. С другой стороны, амплитуда сигнала пропорциональна площади стрипа. Поэтому поиск центра тяжести импульсов со стрипов с помощью математической обработки улучшает разрешение по координате X до величины не хуже 2 мм при ширине стрипа m=4 мм.

За счет высокой плоскостности, сохраняющейся при подаче предельно высокого напряжения между катодом и анодными проволочками, граничащего с переходом газового разряда из пропорционального в стриммерный, позволяют создавать камеры шириной до 2h≤3 мм, устойчиво работающих при напряжении до 4000 В в плазменном режиме газового разряда (Б.Ж. Залиханов «Особенности электронной лавины в режиме большого газового усиления», Письма в ЭЧАЯ. 2006. Т. 3, №2 (131). С. 81-100 [10]). При этом газовое усиление в камере ≥10⁷, что повышает помехозащищенность камеры и ее радиационную стойкость. Временное разрешение и максимальная загрузка детектора определяются ячейкой газовой камеры, т.е. расстоянием h между анодной проволочкой и катодом и расстоянием s между анодными проволочками, а именно произведением s⋅h. В работе [10] измерена длительность анодного сигнала по основанию в режиме столь большого газового усиления, которая составила ≈5 нс. Чтобы продукты от захвата нейтронов не выходили в соседнюю ячейку камеры, толщина конвертора выбрана равной d=3,5 мкм. При этом эффективная "толщина" на пути нейтронов составляет d_эф=100 мкм, что обеспечивает захват падающих нейтронов до 95%.

Формула изобретения

Позиционно-чувствительный газовый детектор тепловых и холодных нейтронов, представляющий собой герметичный корпус, основание которого перпендикулярно плоскому входному окну, включающий в себя одинаковые многопроволочные пропорциональные камеры (далее камеры), заключенные между плоскими параллельно стоящими подложками, размещенными с определенным шагом, задающим ширину камеры; на одной стороне подложки сформирован катод, представляющий слой карбида бора, обогащенного изотопом ¹⁰В, на второй стороне сформирована стриповая система, представляющая собой электрически изолированные от катода и подложки токопроводящие полоски одинаковой ширины, установленные в ряд с определенным шагом и направленные вдоль нормали к входному окну детектора (далее нормали); между подложками в каждой камере перпендикулярно нормали установлены тонкие анодные проволочки, расположенные с определенным шагом в ряд, причем камеры наклонены относительно нормали так, что нормаль направлена под скользящим углом α относительно поверхности катода, отличающийся тем, что в качестве подложки используют алюминиевую фольгу или полимерную пленку из радиационно-стойкого материала, которая прикреплена с двух противоположных сторон к держателям подложек таким образом, что представляет собой плоскость; концы анодных проволочек прикреплены к аналогичным анодным держателям; дополнительно введены размещенные между анодными держателями и держателями подложек дистанционные вставки, задающие ширину камер, а также верхние и нижние клиновидные вставки; верхние клиновидные вставки установлены над верхней камерой, а нижние клиновидные вставки установлены между основанием и нижней камерой; клиновидные вставки задают угол α наклона камер от 1° до 5°; анодные держатели, держатели подложек, дистанционные и клиновидные вставки связаны с крепежными элементами, которые выполнены с возможностью регулирования натяжения подложек и анодных проволочек.