Исследования прототипа позиционно-чувствительного детектора нейтронов на основе кремниевых фотоумножителей
Исследования прототипа позиционно-чувствительного детектора нейтронов на основе кремниевых фотоумножителей
Аннотация
Разработан недорогой детектор нейтронов на основе кремниевых фотоумножителей и одного слоя сцинтиллятора ZnS(Ag):6LiF. Для определения координаты детектор использует всего 4 кремниевых фотоумножителя. В качестве световода использован прозрачный органический световод на основе ПММА. Метод определения координаты, основан на анализе затухания фотонов в объёме пластикового световода. Описана структура подобного типа детекторов. Проведено моделирование оптических параметров позиционо-чувствительных детекторов подобного типа. Определены параметры пространственного разрешения для детекторов 2-х размеров: 50 мм и 100 мм. Получение параметры разрешения составляют 10 мм и 7 мм, соответственно. Предложены методы повышения разрешения подобного типа детекторов, и их возможное использование для регистрации других видов излучения.
1. Введение
В настоящее время в России происходит развитие и создание современных исследовательских центров, таких как исследовательский реактор ПИК(г. Гатчина) , Импульсный нейтронный источник нейтронов «Омега» (г. Протвино) и Проект DARIA . Основную стоимость установок для нейтронных исследований составляют детекторы, особенно основанные на гелий-3. Связано это с ограниченной доступностью и стоимостью газа гелий-3 . Поэтому в настоящее время происходит развитие различных детекторов на основе сцинтиллятора ZnS(Ag):6LiF , . Связано это с достаточно простой конструкцией, низкой ценой и высокой эффективностью регистрации нейтронов .
В современных исследовательских центрах наиболее востребованы позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) . Детекторы используется как для мониторинга нейтронного пучка, так и для дифракционных измерений. Для создания сцинтилляционных детекторов на основе ПЧД получили распространение два метода. Первый метод основан на использовании сцинтиллятора, фотоны с которого снимаются двумя перпендикулярными расположенными массивами спектросмещающих волокна(WLS). Координата, в данном случае, определяется как пересечение WLS волокон, где произошло событие регистрации фотонов . Данные детекторы могут обладать высоким разрешением 1мм, но при этом достаточно дороги и сложны в производстве. Связано это с тем, что необходимо независимо снимать сигнал с каждого волокна, а также наличием большого количества WLS.
Второй способ создания ПЧД детекторов основан на изготовлении матрицы из кремниевых фотоумножителей(SiPM) к активной области которого приклеен сцинтиллятор. Данные детекторы обладают также высоким разрешение, которое зависит от размера кремниевого фотоумножителя (от 1х1мм), но также обладают высокой стоимостью, т.к. требует большого количества кремниевых фотоумножителей . Также для детекторов подобного типа свойственно наличие мертвой зоны. Связано это с тем что светочувствительная часть SiPM, как правило, меньше габаритов самого SiPM.
В данной работе описано создание и тестирование детектора основанного на другом способе определения координаты. Метод заключается в анализе амплитуд сигналов, поступающих с 4 кремниевых фотоумножителей, расположенных в торцах пластикового световода. Детектор, основанный на данном методе, будет обладать достаточно низкой ценой, т.к. для регистрации фотонов требуется всего 4 кремниевых фотоумножителя.
2. Моделирование
Схема детектора представлена на рисунке 1. Принцип работы детектора основан на оптическом ослабление света, подробнее описанный в статье . Нейтрон, падающий на сцинтиллятор, конвертируется в фотоны. Фотоны, попадающие в световод, распространяются во всех направлениях, и в зависимости от пройдённого пути (L1, L2, L3, L4 на рисунке 1,а) поглощаются. В конечном итоге за счет различного пути по световоду происходит уменьшение количество фотонов, а следовательно будут отличаться амплитуды сигналов, полученных с торцов световода.
Так как для определения параметров нам необходимо учитывать лишь оптическую часть, возможно использовать различные программы для моделирования лишь оптических параметров, вместо более сложных программ для Монте-Карло моделирования учитывающих взаимодействие нейтрона со сцинтиллятором, такие как GEANT4 и д.р. Для оценки оптических параметров детектора было проведено оптическое моделирование в программе TracePro. Для моделирования была использована оптическая схема представленная на рисунке 1 а. Параметры объёма и поверхности модели выбраны такие же, как и в реальном детекторе (рис. 1 б.) В качестве детекторов было смоделировано 2 детектора различных размеров - 100 мм и 50 мм. Толщина световода 5 мм, материал световода ПММА. Покрытие поверхности световода — диффузный отражатель. Параметры использованные при моделировании t=1 сек, λ = 460 нм, количество фотонов 1.6*105. Мощность источника в нашем случае составила 6.9*10-12 вт, количество лучей для расчета приняли равным 10 000. Результаты моделирования приведены далее в статье.
Рисунок 1 - Оптическая схема
(а) - принцип метода ослабления фотонов, (б) - разрез детектора
Примечание: 1 - внешнее защитное покрытие, 2 - диффузный отражатель, 3 - сцинтиллятор, 4 - световод
3. Создание детектора
Для тестирования прототипа детектора и проверки возможности определения координаты изготовлено 2 детектора размерами 100х100мм и 50х50мм. В качестве световода использован ПММА толщиной 5 мм и коэффициентом пропускания 92% видимого света. В качестве конвертора нейтронов использован коммерческий сцинтиллятор фирмы Saint-Gobain на основе ZnS(Ag):6LiF c эффективностью регистрации нейтронов 42%,толщина сцинтиллятора 0.45 мм. Сцинтиллятор приклеивался к световоду клеем типа оптический цемент. В торцах световода размещены кремниевые фотоумножители NDL EQR10 11-3030D-S. После вклейки световода и сцинтиллятора, весь детектор покрывался диффузно-отражающей краской на основе BaSo4 с высоким коэффициентом диффузного отражения . После сборки весь детектор покрывался черной непрозрачной термоусадочной трубкой толщиной 1 мм для защиты от внешнего света.
4. Описание установки для тестирования
Тестирование детектора производилось от источника нейтронов Cf-252. Схема проведения тестирования показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема проведения эксперимента
Каждый кремниевый фотоумножитель подключается к независимому предусилителю. В качестве предусилителя используется интегрирующий усилитель с K=1 мкс, максимальная загрузка кремниевого фотоумножителя 1 МГЦ . Сигналы с предусилителей регистрируются осциллографом RIGOL DS8204-R, который сохранял форму импульсов для дальнейшего анализа.
Рисунок 3 - Пример формы импульсов, получаемых с предусилителей
5. Результаты тестирования
На рисунке 4 показано сравнение отношения амплитуд двух противоположных кремниевых фотоумножителей и сравнение их с модельными данными.
Рисунок 4 - Сравнение экспериментальных спектров и модельных с двух противоположных кремниевых фотоумножителей
Примечание: (а) - 50 мм, (б) - 100 мм
Из результатов оценки разрешения по координате для 50 мм детектора составляет около 10 мм, для 100 мм детектора около 7 мм. Разница в разрешении связана с большей площадью световода, в котором происходит более сильное затухание света, и, следовательно, более сильное различие амплитуд сигналов на торцах детектора. Так же в погрешности определения разрешения влияет размер отверстия в кадмии и точность его позиционирования относительно световода.
Так как метод определения координаты зависит от затухания фотонов в объеме и при отражении от поверхностей, варьируя коэффициент пропускания световода и параметры диффузно-отражающей поверхности возможно провести оптимизацию параметров затухания фотонов и улучшить координатное разрешение при различных размерах детектора.
В данной работе разрешение оценивалось только по разнице амплитуд двух противоположных кремниевых фотоумножителей. Анализ координаты при использовании оставшихся 2 кремниевых фотоумножителей не проводилась. Для получения пространственной координаты, требуется анализ 4 сигналов получаемых с кремниевых фотоумножителей. Это в свою очередь требует точной изначальной калибровку детектора по множеству точек для получения зависимостей амплитуд от координаты. В дальнейшем планируется провести данные измерения, и улучшить параметры определения координаты.
6. Заключение
Разработан дешевый позиционно-чувствительный детектор нейтронов, в котором использован новый метод определения координаты, основанный на анализе амплитуд сигналов, полученных с торцов световода.
Показано, что данный метод может быть реализован в реальном детекторе. Оптимизацией параметров диффузного покрытия и световода возможно улучшить пространственное разрешение.
Детектор обладает достаточно высокой загрузочной способностью, средней эффективностью и средним разрешением. В подобных типах детекторов затухание фотонов носит постоянный характер и планируется разработать метод определения координаты используя методы искусственного интеллекта для анализа отражений и более точного определения координаты.
Данный метод можно использовать не только в детекторах нейтронов, а в зависимости от сцинтиллятора его возможно использовать для детектирования других типов излучений.