RU2797497C1 - Position-sensitive gas detector of thermal and cold neurons - Google Patents

Abstract

FIELD: registration; measurement of the flux of nuclear radiation.

SUBSTANCE: aluminum foil or a polymer film made of a radiation-resistant material is used as a substrate, which is attached from two opposite sides to the substrate holders in such a way that it is a flat surface; the ends of the anode wires are attached to similar anode holders; additionally remote inserts that set the width of the chambers are introduced and placed between the anode holders and holders of the substrates, the upper and lower wedge-shaped inserts are also introduced; the lower wedge-shaped inserts are installed between the base and the lower chamber, the upper wedge-shaped inserts are installed above the upper chamber; wedge-shaped inserts set the angle α of camera tilt from 1° to 5°; anode holders, substrate holders, distance and wedge-shaped inserts are strung on fasteners, which are made with the possibility of adjusting the tension of the substrates and anode wires.

EFFECT: increased efficiency of neutron detection, counting rate, spatial and temporal resolution of thermal and cold neutron detector.

1 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to the field of registration and measurement of the flux of nuclear radiation, namely to the registration and measurement of neutron radiation by gas neutron detectors based on a thin solid layer based on the boron isotope ¹⁰ V, and is intended for use in reflectometers used in studying the structure of matter using thermal and cold neutrons, and can also be used in diffractometry, neutron diffraction and other applied and fundamental research.

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.The invention is a further development of thermal and cold neutron detectors, which are gas multiwire proportional chambers (Multi Wire Proportional Chambers - MWPC), consisting of a system of electrodes (anode and cathode) placed in a sealed housing filled with a gas mixture. In such detectors, as a rule, several thin wires placed in a row with a certain step in one plane act as the anode, and the cathode is a conductive surface placed at a certain distance from the anode plane on a flat substrate. The neutron converter (converter of neutrons into charged particles) can be either the gas itself or a thin layer of a solid-state converter deposited on the cathode surface. To determine the coordinate of the neutron capture (conversion) event, anode wires and conductive parallel strips - strips (strips - strips) deposited on the cathode and/or on the substrate additionally introduced into the chamber are used. At the same time, they are oriented relative to the frontal plane of the detector input window in such a way that the anode wires are oriented along one coordinate (for example, X), and the strips are oriented along another coordinate (respectively, Y), and the Z coordinate is oriented along the neutron beam axis and the normal to entrance window.

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.Modern, especially under construction, research centers, for example, PIK (Gatchina, Russia), ESS (Lund, Sweden) (where it is planned to obtain the most powerful neutron flux for research, which is especially important for neutron reflectometers), need the creation of new neutron detectors, which, with a sensitive area up to X*Y≈500×500 mm ² , should have better spatial and better temporal resolution, higher counting rate, and at the same time no lower detection efficiency compared to widely used MWPC helium detectors.

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.MWPC helium detectors, where a gas consisting of the isotope helium ^3He is used as a working gas and at the same time a converter, are limited by the count rate, which can reach 10 ⁴ Hz/mm ² (B. Guerard, R. Hall-Wilton, and F Murtas, "Prospects in MPGDs development for neutron detection," arXiv:1410.0107, 2014 [1]), while for modern research it is necessary to have 10 ⁶ Hz/mm ² , which is related to the density of the neutron flux incident on the sample, which is expected to reach more than 10 ⁸ s ^-1 cm ^-2 (K. Oliver et al. "Position Sensitive Detectors for the ESS", arXiv:1411.6194v1 [physics.ins-det] 23 Nov 2014, https:/ /www.researchgate.net/publication/323874363 [2]). Detectors based on gas ³ Do not allow obtaining spatial resolution up to 1.5×2 mm ² . Helium detectors with an efficiency of 50-90% in the range of 2.5-30

, are superior to existing detectors built using other detector manufacturing technologies. Obtaining such a high efficiency of neutron detection is achieved by increasing the density of the ³ He gas, achieved by increasing the pressure to 20 bar, which leads to the need to use a thick entrance window, which causes additional scattering of neutrons. With increasing modern requirements for detectors, it is not enough to use aluminum as a material with a small amount of neutron scattering.

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.In A. Andronic, et al. "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] it was noted that the manufacture of MWPC detectors using a thin layer of a ¹⁰ V isotope, namely boron carbide B ₄ , as a neutron converter C, enriched in the ¹⁰ V isotope up to 96%, due to the selection of the working gas and the size of the gas chamber, makes it possible to obtain a higher time resolution and a higher count rate than in detectors using ³ He technology. Moreover, these detectors use a working gas at atmospheric pressure, which allows the use of thin entrance windows and significantly reduces neutron scattering at the entrance window. The neutron detection efficiency when a ¹⁰ V flat solid-state converter is placed perpendicular to the neutron beam axis is up to 4%. Therefore, due to the combination of these properties, such detectors are suitable for use in time-of-flight measurement schemes, as “shoot through” detectors.

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:As a result of neutron capture by the boron isotope ¹⁰ V, the nucleus is excited and decays with the formation of two ions - the lithium isotope ⁷ Li and the alpha particle ⁴ He through two channels:

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

¹⁰B+n→⁴He (1.77 МэВ)+⁷Li (1.01 МэВ) (6%) ¹⁰ B+n→ ⁴ He (1.77 MeV)+ ⁷ Li (1.01 MeV) (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.Moreover, particles ⁴ He and ⁷ Li scatter in almost opposite directions. On the one hand, the thicker the converter layer, the more neutrons will react with it. On the other hand, in a thick converter, ^4He and ^7Li particles formed deep in the converter thickness as a result of neutron capture can be absorbed by the converter material, or, having experienced large losses, will enter the detection region with energies close to the detection threshold. In C. Höglund, et al. "B4C thin films for neutron detection," Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 10, 2012 [4] calculates the path length of ⁴ He and ⁷ Li particles in the B ₄ C converter material, which are about 3.4 µm for ⁴ He and 1.7 µm for ⁷ Li. The calculations given in [4] showed that to achieve the maximum efficiency of neutron detection, the thickness of the converter should be about 1 μm.

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.The efficiency can be significantly increased by tilting the converter layer relative to the incident neutron flux so that the plane of the converter layer is at a grazing angle α to the neutron beam axis. This leads to an increase in the length of the neutron path in the near-surface layer of the converter, i.e. to an increase in the number of neutron capture by ¹⁰ V atoms in the near-surface layer and a greater yield of decay particles from the converter layer with much higher energies. The effective neutron path length in the converter (effective thickness) d _eff is determined by the formula d _eff =d/sinα, where d is the physical thickness of the converter. For the angle α=6°, 5° and 2°, the effective thickness d _eff becomes greater than the physical thickness d by 9.57, 11.47 and 28.65 times, respectively.

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.Among the detectors built on the principle of inclined geometry of the boron carbide converting layer, one can distinguish a two-coordinate position-sensitive detector of thermal and cold neutrons according to the utility model of the Russian Federation No. 174185 U1 dated 06.10.2017 [5]. The detector consists of a sealed housing filled with a mixture of working gases 80%Ar+20%CO ₂ at atmospheric pressure for blowing, in which two detecting layers are placed one after the other. Each detecting layer consists of alternating and parallel systems of electrodes (cathode and anode) forming cells of proportional gas chambers inclined at a small angle α (in the example α=6°) relative to the normal to the surface of the detector input window. Each chamber has two cathodes. The cathodes are two parallel-mounted aluminum substrate plates, on which a converter layer is deposited on both sides, placed in such a way that the plates with a continuous converter layer alternate with plates, where the converter layer is made in the form of strips deposited on both sides of the substrate. In this case, the substrate is pre-coated with an insulator - aluminum oxide. The cathode plates with strips are placed so that the strips c lie in the same plane with the normal to the input window surface. The anode is thin gilded wires stretched with a certain pitch (in the example of the patent [5] 8 mm), the plane of which is located exactly between the planes of the cathodes. The wires are placed perpendicular to the cathode strips. If the first detecting layer is inclined at an angle α relative to the normal to the surface of the entrance window of the detector and, accordingly, its cathodes make up the angle α of the grazing incidence of neutrons, then the second detecting layer is located behind the first one, is identical to it, but has the opposite angle -α of rotation of the cells of proportional gas chambers , while the cells of the second layer are shifted relative to the first layer by a cell step. When placing the surface of the entrance window of the detector perpendicular to the direction of the neutron flux, the neutrons enter the converter layers of the cathode plates at sliding angles α for the first layer and -α for the second. At an angle α=6°, the neutron flux passes through two cathode plates, i.e. in general, four converter layers. When the thickness of the converter layer is d=1 µm, there are 4 layers d _eff on the neutron path, making up 38.3 µm of the ¹⁰ V ₄ C converter layer. The authors calculated the detector efficiency using the formula ε=1-exp(-Nσ _n d _eff ), based from the concentration N of B ₄ C atoms in cm ³ of the converter layer, which was determined by the ratio of the density of B ₄ C to its molecular weight. The capture cross section of a thermal neutron with an energy of 0.025 eV (wavelength 1.8

) is σ _n =3844 barn. Therefore, the efficiency for the thickness of the boron carbide layer d=1, 2, 3 μm is σ=0.63, 0.86, 095, respectively, although it is noted that this is an estimated limit value.

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.When calculating the efficiency of a detector of this design, neutron scattering in the material of aluminum substrate plates was not taken into account. The detector uses aluminum plates with a thickness of at least 0.5 mm, on which converter layers are deposited. Although aluminum is a low neutron scattering material, the scattering of neutrons passing through the plate of each layer will be about 5%. This is due to an increase in the effective thickness of the plate by 9.6 times when placed at an angle α=6°. Most of the scattered neutrons will be detected by the detector, creating a false background. In addition, part of the incident neutron flux enters the end of the cathode plate and is scattered before entering the converter layer, which can be considered as shielding. With a step between cells of 5 mm, the shielding effect is 0.5/5=0.1 or 10% for each detecting layer. In total, for the entire detector, the flux losses due to scattering reach up to 30%. Calculated marginal efficiency of 63% for wavelength 1.8

decreases to 33%, and is the limiting value.

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.The disadvantage of the analog detector, built on the principle of the inclined geometry of the boron carbide converting layer with respect to the incident neutron flux, is the impossibility of obtaining a high neutron detection efficiency by increasing the number of neutron converter layers deposited on substrates placed in the path of the neutron flux. This is due to neutron scattering in the substrate and screening of the incident neutron flux by the end of the substrate.

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].The closest solution to the present invention, taken as a prototype, is the detector described in the work of the authors F. Piscitelli et al. “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.The detector-prototype of thermal and cold neutrons, built on the principle of the incidence of a neutron flux on a converting layer of carbide at a sliding angle α, is a united in a single hermetic housing parallel standing multiwire proportional chambers filled with working gas at atmospheric pressure for blowing. The chambers are made as identical independent cells with their own cathode, anode and strip system. The chambers are inclined at an angle α to the normal of the entrance window of the detector and, accordingly, to the axis of the incident neutron beam, so that the neutrons enter the converter at a grazing angle of the same value relative to the cathode plane. The anodes consist of parallel wires with the same pitch s between them, installed perpendicular to the axis of the incident neutron beam and located in the same plane, dividing the chamber cell in half and spaced from the cathode converter layer at a distance h. The ends of the wires are fixed on plates of insulating material with contact pads for each wire. The step s defines a coordinate (eg Y-coordinate) and its resolution. The cathodes are a flat substrate plate with a neutron converter layer based on boron carbide enriched in the ¹⁰ V isotope deposited on one side. The thickness of the converter layer d is selected based on the maximum absorption of the neutron flux incident at a grazing angle α, a significant decrease in the number of neutrons scattered in the substrate, constituting a false background. The second side of the substrate is made with a sharpened end part facing the incident neutron beam at an angle α corresponding to the inclination of the detector chambers. The sharpening is made to reduce the scattering of neutrons by the end of the plate. Therefore, most of the neutron flux falls on the converter layer. The angle of incidence α, depending on the thickness of the converter, determines the length of the neutron path in the converter and the degree of their absorption. The strip system, which is a parallel conductive strips of the same width m, applied with a step n, and directed along the axis of the incident neutron beam perpendicular to the anode wires, is designed to determine the second coordinate (respectively, the X coordinate). The strips are made on the second surface of the cathode either with preliminary electrical insulation from the cathode, or on a thin flexible substrate tightly pressed against the surface of the cathode plate with electrical insulation from the cathode.

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.The authors of the prototype detector tested a prototype detector with a cathode tilt angle α=5° [6]. At this angle, the path length in the converter layer increases by 11.5 times, i.e. is more than 86 microns. The anode-cathode distance and the anode-strip distance were h=4 mm. In this case, the step between the anode wires was s=4 mm, and the width of the strips was m=4 mm. The boron carbide converter layer deposited on a 2×100×140 mm aluminum substrate had a thickness of 7.5 mm. The neutron detection efficiency of the prototype detector was 39% for neutrons with a wavelength of 1.8

, 44% for 2.5

, 56% for 4.2

and 65% for 5.1

. The spatial resolution of the experimental detector was 0.5×2.5 mm ² .

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.In the prototype, the layer thickness was 7.5 µm, which provides a neutron path length of about 86 mm. The path length at a neutron flux attenuation of e times (≈2.7) for thermal neutrons is 32 µm (G. Nowak et al. "In-kind detector activity @ HZG for the ESS detector group", https://studylib.net /doc/9502615/am-cld---ess-indico [7]). Therefore, the neutron flux is weakened by a factor of 11.5 when passing 86 mm in boron carbide, i.e. about 10% of the incident neutrons enter the substrate. The boron carbide converting layer is usually deposited by vacuum magnetron sputtering of a boron carbide target. With the growth of the layer film on the surface of the aluminum substrate-plate, strong compressive stresses arise, which lead to its deformation, and the deformation forces increase with an increase in the thickness of the boron carbide layer and are more pronounced in thinner parts of the substrate. In addition, electrostatic forces of attraction to the anode wires act on the substrate. As the substrate thickness increases, the influence of the forces that deform the substrate decreases. In the design of the prototype detector, the thickness of the plate is 2 mm, and there is practically no deformation of the substrate, except for the area where there is a sharp point. At an angle α=5°, the pointed section has a length of 23 mm (11.5 times the thickness), which is 23% of the entire length of the cathode.

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.The disadvantage of the prototype is that at angles less than 5 degrees deformation of the thin pointed edge affect the operation of the detector in a negative way. So, for example, when the cathode inclination angle decreases to α=2°, the sharpening area will increase by 2.5 times and become more than 57 mm. With such a length, the pointed edge will bend more and may rise above the cathode plane, which will lead to screening of the neutron flux and incorrect operation of the detector. The working length of the cathode, determined by the cathode-anode-strip distance (2h = 8 mm), will also increase by a factor of 2.5 and become about 230 mm. Such large dimensions of the cathode with such a small sliding angle increase the requirements for the flatness of the cathode, which cannot be realized in this design. These effects limit the smallest possible cathode tilt angle α and therefore limit the maximum possible detector efficiency.

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.The loading capacity, temporal and spatial resolution is affected by the distance s between the anode wires and the anode-cathode distance h. To improve these characteristics, it is necessary to reduce the anode-cathode distance and the pitch s between the anode wires. In the work of B.Zh. Zalikhanov “Restrictions on the maximum load of high-speed proportional chambers”, Preprint JINR P13 - 2006 - 118, Dubna, 2006 [8] shows that a decrease in the product s⋅h by k times leads to an increase in the count rate by k ² times. However, due to the fact that the electric field strength is proportional to the square of the distance, a decrease in these values increases the requirements for the stability of the anode-cathode and anode-strip distances. In this design, the non-uniformity of the anode-cathode distance, and especially the change in the anode-strip distance in the pointed part, causes non-uniformity in the count rate and time resolution and limits the improvement of these characteristics.

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.The disadvantage of the prototype are the limitations in achieving the maximum possible efficiency of the detector when registering neutrons, structural limitations of spatial and temporal resolution and in achieving the maximum counting rate.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности регистрации нейтронов, скорости счета, пространственного и временного разрешения детектора тепловых и холодных нейтронов.The technical objective of the invention is to improve the efficiency of neutron detection, counting rate, spatial and temporal resolution of the thermal and cold neutron detector.

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.The technical result is achieved due to the fact that aluminum foil or a polymer film made of a radiation-resistant material is used as a substrate, which is attached from two opposite sides to the substrate holders in such a way that it is a plane; the ends of the anode wires are attached to similar anode holders; additionally introduced remote inserts that set the width of the chambers and placed between the anode holders and holders of the substrates, as well as the upper and lower wedge-shaped inserts; the lower wedge-shaped inserts are installed between the base and the lower chamber, the upper wedge-shaped inserts are installed above the upper chamber; wedge-shaped inserts set the angle α of inclination of the chambers from 1° to 5°; anode holders, substrate holders, distance and wedge-shaped inserts are strung on fasteners, which are made with the possibility of adjusting the tension of the substrates and anode wires.

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.The proposed combination of features provides a technical effect by providing a high flatness of the cathode with its small thickness. The small thickness of the substrate ensures that almost the entire neutron flux falls on the converter layer and there is practically no scattering of neutrons at the end of the substrate. The high flatness and thin end of the cathode make it possible to reduce the angle of grazing incidence of neutrons on the converter layer and increase the efficiency of neutron detection. In addition, due to the high flatness, which is maintained when an extremely high voltage is applied between the cathode and the anode wires, which is necessary to create a large gas amplification, it is possible to reduce the width of the gas chamber and the pitch (distance) between the anode wires, which increases the counting rate and improves the spatial and time resolution of the thermal and cold neutron detector.

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.Studies of narrow gap chambers, i.e. MWPC (gas multiwire proportional) chambers with an anode-cathode distance less than 3 mm, published in [8], showed that in the high gas amplification mode (≥10 ⁷ ) when using a working gas based on CF ₄ , it is possible to obtain a high count rate, reaching 10 ⁶ s ^-1 ⋅mm ^-2 , and the time resolution is better than 10 ns.

Описание фигур.Description of the figures.

Фиг. 1. Конструкция детектора. Чертеж 3D с вырезом в ¼:Fig. 1. Design of the detector. 3D drawing with ¼ cut:

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

4 - держатель подложки;4 - substrate holder;

5 - гибкая панелька;5 - flexible socket;

6 - ламели стрипов;6 - strip lamellas;

7 - анодные проволочки;7 - anode wires;

8 - анодный держатель;8 - anode holder;

9 - анодная панелька;9 - anode socket;

10 - анодные ламели;10 - anode lamellas;

11 - основание детектора;11 - detector base;

12 - входное окно детектора;12 - entrance window of the detector;

13 - крепежный элемент стержень;13 - fastener rod;

14 - крепежный элемент гайка стержня;14 - fastener rod nut;

15 - крепежный элемент винт растяжки;15 - fastener screw extension;

16 - крепежный элемент удлиненная гайка растяжки;16 - fastener elongated brace nut;

17 - нижняя клиновидная вставка;17 - lower wedge-shaped insert;

18 - дистанционная вставка;18 - remote insert;

19 - направление падающего пучка нейтронов;19 - direction of the incident neutron beam;

20 - крепежный элемент упорный фланец стержня 13;20 - fastener thrust flange of the rod 13;

22 - верхняя клиновидная вставка.22 - upper wedge-shaped insert.

Фиг. 2. Устройство катода, сформированного на подложке:Fig. 2. The device of the cathode formed on the substrate:

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

4 - держатель подложки;4 - substrate holder;

5 - гибкая панелька;5 - flexible socket;

6 - ламели стрипов;6 - strip lamellas;

18 - дистанционная вставка;18 - remote insert;

21 - отверстия под стержни 13.21 - holes for rods 13.

Фиг. 3. Устройство стриповой системы, сформированной на подложке:Fig. 3. The device of the strip system formed on the substrate:

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

3 - стрипы;3 - strips;

4 - держатель подложки;4 - substrate holder;

5 - гибкая панелька;5 - flexible socket;

6 - ламели стрипов;6 - strip lamellas;

18 - дистанционная вставка;18 - remote insert;

21 - отверстия под крепежные элементы стержни 13.21 - holes for fasteners rods 13.

Фиг. 4. Устройство анода:Fig. 4. Anode device:

7 - анодные проволочки;7 - anode wires;

8 - анодный держатель;8 - anode holder;

9 - анодная панелька;9 - anode socket;

10 - анодные ламели;10 - anode lamellas;

18 - дистанционная вставка;18 - remote insert;

21 - отверстия под крепежные элементы стержни 13.21 - holes for fasteners rods 13.

Фиг. 5. Схема, поясняющая работу детектора:Fig. 5. Scheme explaining the operation of the detector:

1 - подложка;1 - substrate;

2 - катод;2 - cathode;

7 - анодные проволочки7 - anode wires

n - нейтрон, линия движения;n - neutron, line of motion;

α - угол наклона катода относительно нормали к входному окну, совпадающей с осью пучка нейтронов;α is the angle of inclination of the cathode relative to the normal to the input window, which coincides with the axis of the neutron beam;

d - физическая толщина катода из слоя ¹⁰В₄С;d is the physical thickness of the cathode from the ¹⁰ V ₄ C layer;

d_эф - эффективная толщина слоя ¹⁰В₄С;d _eff - effective layer thickness ¹⁰ ₄ C;

d₁ - глубина в слое ¹⁰В₄С, где происходит захват нейтрона;d ₁ is the depth in the ¹⁰ V ₄ C layer where the neutron is captured;

h - расстояние анодные проволочки - катод, равное анодные проволочки - стрипы;h - distance anode wires - cathode, equal to anode wires - strips;

s - расстояние между анодными проволочками;s is the distance between the anode wires;

Li - окружность радиуса, равного длине пробега частицы ⁷Li;Li is a circle of radius equal to the particle path length ⁷ Li;

Не - окружность радиуса, равная длине пробега частицы ⁴Не;He is a circle of radius equal to the path length of the ⁴ He particle;

E₁ и Е₂ - источник питания стрипов и катода, соответственно;E ₁ and E ₂ - power supply strips and cathode, respectively;

С_х - конденсатор развязки сигналов от стрипов, задающих X - координату;C _x - decoupling capacitor for signals from strips that define X - coordinate;

С_у - конденсатор развязки сигналов от анодных проволочек, задающих Y - координату.C _y - decoupling capacitor for signals from the anode wires that define the Y - coordinate.

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.In Fig. 1 is a ¼ cut 3D drawing explaining the construction of a neutron detector. In Fig. 2 shows the mounting of an aluminum foil or polymer film substrate on the holders and the cathode arrangement. In Fig. 3 shows the structure of the strip system. In Fig. 4 shows the arrangement of the anode. In Fig. 5 is a diagram illustrating the operation of the detector.

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.As the substrate 1, either aluminum foil with a thickness of 14 to 50 µm or a polymer film with a thickness of 10 to 30 µm made of a radiation-resistant material, such as Kapton (polyimide) or Mylar (dacron), is used. When a high voltage (up to 4000 V) is applied to the cathode, electrostatic forces of attraction of the substrate 1 towards the anode wires 7 act on the substrate 1. To avoid deflection, the substrate 1 is pulled into the plane with great force. This tension is provided by substrate holders 4, to which opposite sides of substrate 1 are attached. substrates when assembling the detector. The tension of the substrate 1 is regulated by fasteners. As an example, the fasteners include: rod 13, rod nut 14, brace screw 15, elongated brace nut 16, thrust flange 20 of rod 13. elongated nut 16. To avoid breakdown of the high voltage applied to the cathode, the holders 4 of the substrate are covered with a layer of electrically insulating material, for example, pasted over with a polyimide or lavsan film 400 μm thick. To obtain the same tension of the substrates 1, a mandrel is used, in which a substrate 1 stretched with the same force is glued to the holders 4 of the substrate, which are set at the same distance with the help of a mandrel. To do this, an auxiliary frame of a larger size than the required size of the substrate is used. In this case, the substrate 1 with the cathode 2 and strips 3 pre-formed on it is pulled onto the frame with the same specific force. The function of the cathode 2 is performed by a layer of boron carbide B ₄ C, which is deposited on one side of the substrate 1 using vacuum plasma sputtering of a magnetron target made of boron carbide B ₄ C, enriched in the ¹⁰ V isotope to a value of at least 95%. The thickness d of the layer of boron carbide ¹⁰ V ₄ C depends on the angle α of neutron incidence on the converter layer chosen during the design. For example, for α=2° the thickness d=3.5 µm is used. In accordance with the expression d _eff =d/sinα, the effective thickness d _eff increases in comparison with the physical thickness d by 28.65 times and becomes d _eff =100.3 μm. At the path length of thermal neutrons in the boron carbide material, which is 32 μm [7], the neutron flux is weakened by a factor of e≈2.7. Therefore, at a length of d _eff = 100.3 μm, the neutron flux will weaken in e ^3.13 , that is, 22.87 times, which means that only about 4% of the incident flux will pass through the boron carbide layer. In the case of polymer film substrates, a layer of boron carbide is deposited on the polymer substrate. The strip system is formed on the reverse side of the substrate. Strips 3 from a thin layer of aluminum were obtained by sputtering aluminum in a vacuum through a mask onto an aluminum foil substrate 18, pre-coated with a dielectric layer necessary for the electrical isolation of strips 3 from aluminum substrate 1. Aluminum oxide Al ₂ O ₃ was used as a dielectric, which was obtained by passivating the substrate prior to deposition of boron carbide, as done in 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]. The thickness of the layer of aluminum strips 3 is about 70-100 nm, which is sufficient to create conductive conductors. The width of the strips 3 is m=4 mm, the gap between the strips is 0.2-0.5 mm. In the case of using polymer films (Kapton, Mylar) as substrate 1, strips 3 are applied without an insulating layer, directly onto the substrate. Flexible socket 5 with strip lamellas 6 is placed on the side opposite to entrance window 12. Flexible socket 5 is glued to substrate 1. Thin wire conductors (not shown in the figure) are attached to strips 3 with conductive glue, the second end of which is soldered to strip lamellas 6. When assembling the anode, pre-tensioned anode wires 7 with a thickness of 15 to 50 μm are attached with glue to the anode holders 8, similar to the holders 4 of the substrate. For this, a mandrel is also used, to which anode wires 7 are attached one at a time with a step s = 2 mm, stretched with a force depending on the thickness of the anode wire 7. Wires 7 20 microns thick are pulled with a force of 70 g. Each holder plate 8 is attached panels 9 with lamellas 10. The number of lamellas 10 on panel 9 corresponds to half the number of anode wires 7, which allows even wires 7 to be soldered to lamellas 10 on one side, and odd wires 7 to lamellas 10 on the opposite side.

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.The assembly of the detector is carried out in the following sequence. The entrance window 12 is attached to the base 11. The fastening elements of the rods 13 are installed in the holes of the base 11 until the fasteners of the thrust flanges 20 abut against the base 11. Now the detector elements are assembled. First, two lower wedge-shaped inserts 17 are mounted on the fastening elements of the rods 13, so that the tip of the wedge is directed towards the input window 12. The angle α of the inclination of the cathode 2 and all detector chambers is determined by the angle of the lower wedge-shaped inserts 17. Next, two remote inserts are mounted in series 18, holders 4 with substrate 1, two more spacers 18, anode holders 8 with anode wires 7. The first detector chamber is obtained. By repeating the assembly, that is, by placing two spacer inserts 18, holders 4 with substrate 1, two more spacers 18, anode holders 8 with anode wires 7, on the fasteners rods 13, a second detector chamber is obtained. The assembly is repeated until the calculated number of detector chambers is obtained. Finishing the assembly, the upper wedge-shaped inserts 22 are mounted so that the tip of the wedge is directed in the opposite direction from the inlet window 12, and the entire assembly is tightened with fasteners by the nuts 14 of the rod. By rotating the fastening element of the elongated nut 16 of the brace relative to the fastening element of the screw 15, the brace stretches the substrate 1 and the anode wires 7 into working condition.

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.The principle of operation of the detector is illustrated by the diagram of Fig. 5. Chamber width 2h=4 mm. The anode wires 7 divide the width of the chamber in half, so the distance between the anode wires 7 and the cathode 2 and the distance between the anode wires 7 and the strips 3 is h=2 mm. When this step between the anode wires 7 is s=2 mm, the thickness of the layer of boron carbide ¹⁰ ₄ C d=3.5 μm. Registered neutron n enters the cathode 2 from a layer of boron carbide ¹⁰ V ₄ C at a sliding angle α=2°. If at a depth d ₁ a neutron is captured by the ¹⁰ V isotope, then when it breaks up, two particles ⁷ Li and ⁴ He are formed, flying in opposite directions, but equally likely in any direction of the solid angle 4π. The particle path length in the material of the converter made of ¹⁰ V ₄ C boron carbide is 1.7 µm for ⁷ Li and 3.4 µm for ⁴ He [4, 7]. In FIG. 5 circles with radii of 1.7 μm and 3.4 ^μm show the possible range of these particles in the ¹⁰ V ₄ C material. From the depth d ₁ <1.7 μm, either a ⁷ Li particle or a depending on the direction of expansion. Due to the equiprobable scattering of particles, the number of registered particles is proportional to the solid angle with the vertex at the neutron capture point, which is limited by the line of intersection of the free path radii with the surface of the boron carbide layer, which is the larger, the smaller the depth d ₁ . If the flying particles do not fall into this solid angle, then the neutron will not be detected. If the capture of a neutron occurs at a depth of d ₁ >1.7 μm, then there will be no detection of a neutron due to the registration of a ⁷ Li particle, since the particle will not come out of the material layer ¹⁰ B ₄ C. Therefore, an increase in the layer thickness at normal neutron incidence significantly reduces the efficiency of neutron detection. At a grazing angle of incidence α=2°, neutrons in a material of ¹⁰ V ₄ C, when passing through a length equal to the path length λ _n =32 µm, enter the converter layer to a depth of d ₁ =λ _n ⋅sinα=1.1 µm, which makes it possible with an increase in the number capture neutrons to increase the number of particles emerging from the converter for registration in the gas chamber. This greatly increases the efficiency of neutron detection. If the angle of incidence α=5°, as in the prototype, then the neutrons for their path length will go to a depth of d ₁ =2.8 μm. This reduces the number of particles released for registration compared to the angle of incidence α=2° by more than 1/3, i.e. the neutron detection efficiency in the proposed detector design is more than 1/3 relative to the prototype. Registration of neutrons in the gas chamber is due to the fact that ⁷ Li and ⁴ He particles have high initial energies, which are 1.47 MeV for ⁴ He (1.77 MeV in 6% cases) and 0.84 MeV for ⁷ Li (1.01 MeV in 6% cases) . The ionization potential of the working gas of argon is 15 eV. The particles that got into the gas ionize the gas with the formation of ion-electron pairs on the path of the track. In Fig. 5 conventionally shows the path of the particle and the formed electron-ion pairs. Electrons, as light and mobile particles, are sent to the nearest anode wires 7, having a diameter of about 20 microns. Due to such a small diameter near the anode wires 7, a high electric field strength is ensured, in which electrons, receiving energy during acceleration, produce ionization. As a result, an electron avalanche occurs near the anode wire 7. The avalanche electrons go to the anode wires 7 that created them, and the ions drift towards the cathode 2 and strips 3. An electrical signal is read from each anode wire 7, which determines the Y coordinate of the neutron capture point (taking into account the correction for h). Due to the inclination of the plane of the anode wires 7 installed in a row, the resolution along this coordinate is s⋅sinα≈0.1 mm. The ion cloud induces on the strips 3 charge pulse, the magnitude of which is proportional to the width m of the strip (m=4 mm). The momentum is read independently from each strip and determines the X coordinate of the neutron capture point. On the one hand, a decrease in the strip width m improves the accuracy of determining the X coordinate. On the other hand, the signal amplitude is proportional to the strip area. Therefore, the search for the center of gravity of pulses from the strips using mathematical processing improves the resolution along the X coordinate to a value no worse than 2 mm with a strip width m=4 mm.

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%.Due to the high flatness, which is maintained when an extremely high voltage is applied between the cathode and the anode wires, bordering on the transition of the gas discharge from proportional to streamer, it is possible to create chambers up to 2h ≤ 3 mm wide, which operate stably at voltages up to 4000 V in the gas discharge plasma mode ( B. Zh. Zalikhanov "Peculiarities of an electron avalanche in the regime of high gas amplification", Letters to ECHA, 2006, vol. 3, no. 2 (131), pp. 81-100 [10]). In this case, the gas amplification in the chamber is ≥10 ⁷ , which increases the noise immunity of the chamber and its radiation resistance. The time resolution and the maximum load of the detector are determined by the gas chamber cell, i.e. the distance h between the anode wire and the cathode and the distance s between the anode wires, namely the product s⋅h. In [10], the duration of the anode signal along the base was measured in the regime of such a high gas amplification, which amounted to ≈5 ns. To prevent neutron capture products from escaping into the adjacent cell of the chamber, the thickness of the converter is chosen to be d=3.5 µm. In this case, the effective "thickness" in the path of neutrons is d _eff =100 μm, which ensures the capture of incident neutrons up to 95%.

Claims (1)

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.Position-sensitive gas detector of thermal and cold neutrons, which is a sealed housing, the base of which is perpendicular to the flat input window, including identical multiwire proportional chambers (hereinafter referred to as chambers) enclosed between flat parallel substrates placed with a certain step that sets the width of the chamber; on one side of the substrate, a cathode is formed representing a layer of boron carbide enriched in the ¹⁰ V isotope; on the second side, a strip system is formed, which is electrically insulated from the cathode and the substrate conductive strips of the same width, installed in a row with a certain step and directed along the normal to the input window detector (hereinafter normal); between the substrates in each chamber, thin anode wires are installed perpendicular to the normal, arranged with a certain step in a row, and the chambers are inclined relative to the normal so that the normal is directed at a sliding angle α relative to the cathode surface, characterized in that aluminum foil or a polymer film is used as a substrate of radiation-resistant material, which is attached on two opposite sides to the holders of the substrates in such a way that it is a plane; the ends of the anode wires are attached to similar anode holders; additionally introduced spacers placed between the anode holders and holders of the substrates, which set the width of the chambers, as well as the upper and lower wedge-shaped inserts; the upper wedge-shaped inserts are installed above the upper chamber, and the lower wedge-shaped inserts are installed between the base and the lower chamber; wedge-shaped inserts set the angle α of inclination of the chambers from 1° to 5°; anode holders, substrate holders, spacer and wedge-shaped inserts are connected with fasteners, which are made with the possibility of adjusting the tension of the substrates and anode wires.

Images