Ученые Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований разработали детектор тепловых и холодных нейтронов на основе твердотельного конвертера. Новое устройство будет обладать повышенной радиационной стойкостью по сравнению с аналогами, и срок его службы в нейтронном пучке будет дольше. Оно позволит контролировать флуктуацию плотности потока падающего пучка, и его легко масштабировать. Прототип детектора уже изготовлен в Лаборатории, в дальнейшем устройство предлагается применить на одном из спектрометров реактора ИБР-2. Изобретение может быть использовано для исследований в области конденсированных сред, измерения профиля пучка при бор-захватной терапии, контроля перемещения делящихся веществ и др.

Изобретение представляет собой двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе плоскопараллельной резистивной камеры (ППРК), в котором для определения координаты реализован метод линии задержки, что обеспечивает долговечность работы такого детектора в нейтронном пучке.

Мария Петрова

«Детектор прост в изготовлении и эксплуатации и обладает высокой степенью масштабируемости, что позволит покрыть большие телесные углы в будущем, а также даст возможность работать с холодными нейтронами, так как работает он в проточном режиме», — рассказала соавтор изобретения, младший научный сотрудник Сектора нового источника и комплекса замедлителей ЛНФ ОИЯИ Мария Петрова.

Детекторы на основе плоскопараллельных резистивных камер, появившиеся в 80-ых годах ХХ века, нашли широкое применение в физике высоких энергий благодаря своим рабочим характеристикам и возможности создания детекторов большой площади (> 100 м²). Существенным отличием данного изобретения от других ППРК – позиционно-чувствительных детекторов тепловых нейтронов – является нанесение слоя карбида бора на стекло, которое дает возможность индуцировать сигнал сквозь него на считывающие стрипы.

Детектор работает на основе твердотельного конвертера – карбида бора ¹⁰B₄C. Конвертер – это ядро с большим сечением поглощения нейтрона интересующей энергии, которое после захвата распадается на две заряженные частицы, доступные к непосредственной регистрации. Ядрами, которые наиболее часто используются для регистрации тепловых и холодных нейтронов, являются ³He (σa = 5328 б), ¹⁰B (σa = 3837 б), ⁶Li (σa = 940 b). В силу того, что ³He обладает наибольшим сечением поглощения тепловых нейтронов среди перечисленных изотопов, он является наиболее популярным конвертером для создания позиционно-чувствительных детекторов нейтронографических станций. Дефицит ³He и трудности, связанные с регистрацией холодных (> 10 Å) нейтронов детекторами под большим давлением, стимулируют развитие детекторных технологий на основе альтернативных конвертеров. Следующий по величине сечения поглощения тепловых нейтронов является ¹⁰B. Карбид бора является широко распространенным и экономически доступным.

В настоящее время на станциях нейтронного рассеяния наиболее распространены многопроволочные позиционно-чувствительные детекторы с газовым конвертером на основе ³Не и сцинтилляционные на основе порошка ⁶Li. В силу особенностей работы таких детекторов длительность формируемого сигнала составляет от единиц до нескольких десятков микросекунд, что ограничивает их временное разрешение и загрузочную способность. Планируемый к реализации в 2036–2037 годах исследовательский реактор ОИЯИ будет обладать плотностями потоков нейтронов, превосходящими существующий источник ИБР-2 более, чем на порядок, что требует введения в действие более совершенных детекторов нейтронов.

«Недостатки работы детекторных систем на основе гелий-3 и литий-6, а также необходимость в снижении стоимости единицы рабочей площади при сохранении конкурентного пространственного и временного разрешения вызывают необходимость в поиске новых решений. Созданный прототип обладает равномерным полем, из-за чего длительность сигнала составляет 30 наносекунд, а определение координаты по методу линии задержки обеспечивает необходимость всего пяти каналов регистрации», — поясняет Мария Петрова.

1 – алюминиевый анод; 2 – слой карбида бора; 3 – леска-спейсер; 4 – газовый промежуток (рабочий объем); 5 – термополированное стекло (катод); 6 – полупроводящая эмаль; 7 – изолятор (майлар); 8 – плата со стрипами X и Y; 9 – плата с Х-стрипами, подключенными на линию задержки; 10 – плата с Y-стрипами, подключенными на линию задержки

Образцы нового детектора будут производиться на обустраиваемом в ЛНФ ОИЯИ опытно-экспериментальном участке по разработке и изготовлению нейтронных детекторов. Уже собран прототип изобретения, предполагается использовать его на одном из спектрометров на холодных нейтронах исследовательского реактора ИБР-2, – возможно, на рефлектометре РЕФЛЕКС.

Патент RU 2813557 на изобретение «Позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе плоскопараллельной резистивной камеры» был получен Объединенным институтом ядерных исследований 13 февраля 2024 года. Авторский коллектив патента: Мария Петрова, Андрей Богдзель, Виктор Боднарчук, Олжас Даулбаев, Васил Милков, Алексей Курилкин, Константин Булатов (ЛНФ ОИЯИ), Александр Дмитриев, Вадим Бабкин, Михаил Румянцев (ЛФВЭ ОИЯИ).