Современные тенденции в разработке детекторов тепловых нейтронов

10 января 2014 г.

Детектор – это прибор для регистрации элементарных частиц, таких как фотоны (кванты света), электроны и др. Телескоп, например, это тоже детектор, но для определения (обнаружения) далеких звезд.далеких звезд.

В ПИЯФ с помощью детекторов проводят исследования на базовых установках – ускорителе и реакторе. Детектор можно назвать посредником между человеком и другим миром, который он изучает и который ему без детектора не доступен. Каждый детектор уникален, потому что служит для определенной цели. 19 ноября в ПИЯФ прошло совещание, которое было посвящено многоканальным детекторам, предназначенным для работы с тепловыми нейтронами. Такие нейтроны планируют получать на реакторе ПИК, которые могут быть использованы в различных целях, в том числе, в томографах для ядерной медицины. На этом совещании были подведены некоторые итоги и определены задачи дальнейшего развития.

Совещание явилось продолжением обсуждения этой тематики, начатого в Лаборатории нейтронной физики в ОИЯИ (Дубна) в апреле 2013 года. Для обеспечения конкурентоспособности спектрометров, действующих на исследовательских нейтронных источниках в России, необходимо, чтобы используемые на них детекторные системы были приведены в соответствие с современными требованиями.

В настоящее время наиболее устойчивой выглядит ситуация с позиционно-чувствительными газовыми (на основе 3He) детекторами сравнительно небольшой площади (~30x30 см2), разработкой и изготовлением которых на протяжении уже довольно продолжительного времени занимаются группы в ПИЯФ (Гатчина) и ЛНФ ОИЯИ (Дубна), а недавно подключился и институт ядерных исследований (ИЯИ РАН, Москва). Многолетние работы в этом направлении позволили разработать стабильные технологии создания газовых ПЧД детекторов. Мощным стимулом продолжения работ с газовыми ПЧД является относительная доступность 3He и его меньшая стоимость, по сравнению с мировыми ценами, в России. Тем не менее, есть проблемы с созданием газовых ПЧД детекторов с площадью зоны детектирования от 50х50 см2 и больше, потребность в которых велика.

После длительного перерыва получили дальнейшее развитие поисковые и опытно-конструкторские работы по развитию технологий создания тепловых нейтронных детекторов на базе сцинтилляторов ZnS6Li(Ag) и литиевых стекол. Участники совещания поделились своими достижениями и планами дальнейших действий в этом направлении. Совершенствование этих технологий позволит приступить к созданию широкоапертурных (с телесным углом до 2 стерадиан и больше) нейтронных детекторов. Увеличение апертуры детектора эквивалентно увеличению плотности нейтронного потока. В этом случае также кратно растет светосила прибора и уменьшается время нейтронного эксперимента. Особо было отмечено, что создание быстродействующих сцинтилляционных детекторов с пространственным разрешением 50 мкм существенно ускорит развитие нейтронной томографии в наших нейтронных центрах.

Широкоапертурные, многоэлементные детекторные системы требуют нового подхода к электронике сбора данных. Этой проблеме было посвящено несколько докладов. Элементная база современной электроники уже сейчас позволяет увеличить быстродействие детектора и, как следствие, увеличить его загрузочную способность, разрешает широко использовать технологии запоминания всех событий, произошедших за время эксперимента (накопление в режиме List Mode). Первый совместный эксперимент (ПИЯФ и ОИЯИ) с применением технологии запоминания всех событий был осуществлен на спектрометре ФСД, на реакторе ИБР-2. Полученные результаты дали возможность шагнуть далеко вперед в создании программного обеспечения для сбора и обработки полученных данных. Реально мы находимся на пороге перехода к цифровым технологиям в нейтронных экспериментах.

Один из докладов (НИТИОМ ГОИ) совещания был посвящен возможностям создания новых нейтронных сцинтиляторов с высокой светоотдачей и пониженной чувствительностью к гамма-фону. Из доклада следовало, что реальность создания таких сцинтиллирующих стекол высока.

На совещании 26 апреля 2013 года в ОИЯИ (Дубна), посвященном развитию сцинтилляционных детекторных технологий, было отмечено, что вопрос оснащения действующих в России нейтронных станций современными детекторными системами уже неоднократно поднимался на российских нейтронных конференциях и на РНИКС-2012 (ПИЯФ, октябрь, 2012 г.). Совещание еще раз подтвердило, что необходимость ускорить решение этого вопроса понятна не только специалистам в данной области, но и научному нейтронному сообществу, и требует пристального внимания руководства наших нейтронных центров.

Следует подчеркнуть, что результаты II совещания по развитию технологий детектирования тепловых нейтронов еще раз подтвердили актуальность задач, связанных с повышением эффективности нейтронных экспериментов за счет оснащения нейтронных станций современными детекторными системами.

Сформировалось несколько направлений развития, основными из которых являются:

• разработка сцинтилляционных детекторов большой площади;

• совершенствование газовых 2D ПЧД с площадью около 30x30 см2 и разрешением Δx ≈ 2 мм;

• создание 2D ПЧД с площадью до 100x100 см2 и разрешением Δx ≈ 2.5 мм;

• совершенствование многосекционных и многомодульных детекторных систем;

• создание твердотельных 2D ПЧД малой площади (~10 см2) и Δx ≈ 30 мкм;

• разработка nGEM систем.

Практически все нейтронные приборы на исследовательских нейтронных (и синхротронных) источниках России требуют обновления детекторных систем, желательно, на современные сцинтилляционные или твердотельные. Развитие и модернизация нейтронных приборов на реакторе ИБР-2, будущая приборная база на реакторе ПИК, приборная база нейтронного источника ИН-08, несомненно, должны быть оснащены современными детекторными системами.

Для оснащения исследовательских приборов на нейтронных (и синхротронных) источниках России крайне желательно сформулировать и принять целевую программу с централизованным финансированием. Ее формирование следует поручить группе ведущих специалистов российских нейтронных и синхротронных центров.

Алексей БУЛКИН, Сергей КОСЬЯНЕНКО

Гатчинская правда, № 147 (20441) от 24 декабря

Читайте также