Ученые Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка и Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ продолжили работу над концепцией позиционно-чувствительного детектора тепловых и холодных нейтронов на основе карбида бора, в котором высокая эффективность регистрации нейтронов достигается падением нейтронов под малым скользящим углом к твердому материалу конвертера. Если предыдущая разработка касалась случаев, когда исследуемый образец располагается на большом расстоянии – свыше 10 м от детектора, — то новое изобретение будет применяться при регистрации нейтронов, рассеянных на близком от образца расстоянии – от 1 метра.

В зависимости от поставленной задачи будет использоваться тот или иной патент. «Мы расширяем круг детекторов, которые будут обладать высокой эффективностью регистрации, быстродействием и возможностью работать в больших потоках нейтронов», — рассказал соавтор изобретения, ведущий инженер ЛНФ ОИЯИ Александр Колесников. Он пояснил, что это разработка на перспективу: она будет актуальной для источников нейтронов нового поколения, таких как ПИК (Гатчина), European Spallation Source ESS (Лунд, Швеция), НЕПТУН (Дубна), для которых понадобятся детекторы с высокой загрузочной способностью. В качестве прототипа изобретения использован детектор Multi-blade для ESS. «Свой детектор мы назвали Multi-foil. Согласно теоретическим расчетам, он отличается немного большей эффективностью и лучшим временным разрешением», — сообщил Александр Колесников.

Детектор нейтронов (корпус не показан): 1 — подложка; 2 — катод; 4 — анодные проволочки; 5 — держатель подложки; 6 — панелька ламелей стрипов; 7 — ламели стрипов; 8 — дистанционная вставка; 9 — пружинные элементы; 11 — анодный держатель; 12 — анодная панелька; 13 — анодные ламели; 14 — стяжка (крепежные элементы); 15 — стойка (крепежные элементы); 16 — натяжитель пружинных элементов; 17 — основание детектора; 18 — компактный исследуемый образец (или образец); 19 — поток нейтронов, испускаемых образцом 18; ϕ — угол расходимости падающего в детектор потока нейтронов от образца 18

В настоящее время в ядерной физике наиболее широко распространены детекторы нейтронов на основе конвертера гелий-3. Этот газ регистрирует заряженные частицы, которые являются продуктом взаимодействия нейтронов с ядрами гелия-3. Но гелий-3 ограничен в быстродействии, кроме того, чтобы повысить эффективность детектора на основе гелия, газ накачивают в детектор под большим давлением, так что стенки камеры должны быть достаточно толстыми, чтобы его выдерживать. Не все нейтроны попадают внутрь детектора сквозь толстые стенки – некоторые рассеиваются, в особенности нейтроны с большой длиной волны. По данным Александра Колесникова, в области больших длин волн нейтронов детектор на карбиде бора превосходит по эффективности гелиевые детекторы, а в области волн 1,8 ангстрем – несколько уступает: 64 % эффективности детекторов с карбидом бора против 70-80 % у гелиевых. В новом изобретении камера детектора будет заполнена рабочим газом при атмосферном давлении, а ее стенки будут тонкими, сделанными из фольги, так что потеря нейтронов на стенках будет пренебрежимо мала. «Сейчас для исследовательских центров очень значимы два фактора – это проведение исследований в длинноволновой области и в больших потоках, где нужны скоростные измерения, — здесь детекторы на карбиде бора превосходят гелиевые», — прокомментировал Александр Колесников.

Если нейтроны падают под прямым углом к материалу, то заряженные частицы – продукты реакции после захвата нейтронов ядрами бора-10 – «застревают» в слое карбида бора, и эффективность регистрации нейтронов не превышает 5-6 %. Авторы изобретения используют наклонную геометрию для повышения эффективности: нейтроны будут падать на тонкие пластины с покрытием из карбида бора под малым скользящим углом (1 – 5°). Здесь теоретические расчеты показывают возможность достижения до 64 % регистрации нейтронов с длиной волны 1,8 Å. При этом в более длинноволновой части спектра эффективность регистрации нейтронов будет достигать 90 %. «Высокая эффективность регистрации достигается благодаря значительному увеличению длины пробега нейтронов в конверторе из-за их малого угла падения к его поверхности. Такая геометрия регистрации обеспечит рост не только числа взаимодействий нейтронов с атомами бора, но и числа реакций, продукты которых (ион лития и альфа-частица) смогут выйти из конвертора в область регистрации детектора. Обеспечение высокой загрузочной способности детектора Multi-foil определяется регистрационными характеристиками газовой камеры, лежащей в основе детектора, которая разработана сотрудником ЛЯП Борисом Залихановым», — заключил Александр Колесников.

Сейчас ученые ЛНФ ОИЯИ прорабатывают конструкцию первого образца детектора, производство которого планируется в будущем на создающемся в Лаборатории опытном участке по разработке и изготовлению детекторов тепловых нейтронов.

Установка ВАТТ-800 — ядро опытно-экспериментального участка по разработке и изготовлению детекторов тепловых нейтронов на основе конвертера из карбида бора

Патент RU 2816244 на позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов от компактного исследуемого образца был получен Объединенным институтом ядерных исследований 27 марта 2024 года. Авторы изобретения: Александр Колесников (ЛНФ ОИЯИ), Борис Залиханов (ЛЯП ОИЯИ), Виктор Боднарчук (ЛНФ ОИЯИ).