Компактный высокотехнологичный детектор нейтронного и гамма-излучения создали ученые из Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в Дубне вместе с коллегами из Азербайджана и Казахстана. Устройство разработано на основе микропиксельного лавинного фотодиода (MAPD) и пластикового сцинтиллятора для контроля состояния Источника резонансных нейтронов (ИРЕН) — одной из базовых исследовательских установок ОИЯИ — на замену прежней дорогостоящей технологии. После проведения дополнительных исследований разработка может обрести применение и в других системах.
Новый детектор помогает оценивать работу ИРЕН, измеряя изменения интенсивности образующихся в установке нейтронов и гамма-квантов в мишенном зале. Деталями технологии с корреспондентом «Научной России» поделился основной автор исследования, инженер Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ Сабухи Нуруев.
«После взаимодействия со сцинтиллятором нейтроны и гамма-кванты создают внутри него фотоны, которые регистрируются с помощью микропиксельного лавинного фотодиода, — объяснил С. Нуруев. — Структура фотодиода MAPD-3NM была разработана в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, а производство осуществлялось за рубежом, потому что в России пока есть не все условия для создания подобных технологий».
Исследователь добавил, что коллектив ученых из Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ разработал для детектора усилитель и DC-DC конвертер (преобразователь постоянного тока). Напряжение, подаваемое на детектор, составляет всего 6 В. Встроенный в прибор преобразователь позволяет конвертировать его в 75 В — такое напряжение необходимо для работы микропиксельного лавинного фотодиода. При необходимости конвертер позволяет обеспечивать интервал напряжения от 20 до 130 В.
Компактное устройство умещается на ладони. Параметры сцинтиллятора составили 3.7×3.7×30 мм3 — такие размеры были выбраны с учетом чувствительной области фотодиода. Детектор не разделяет сигналы от нейтронов и гамма-квантов, показывая суммарную интенсивность излучения.
Разработчики испытали детектор для определения его возможностей. Устройство продемонстрировало чувствительность к двум видам нейтронов: промежуточным и быстрым (их различие заключается в том, что быстрые нейтроны обладают большей кинетической энергией). При использовании Цезия-137 (Cs-137) в качестве точечного источника гамма-излучения минимальная энергия частиц, которую смог зарегистрировать детектор, составила 200 кэВ.
Ученые также определили максимальную скорость счета устройства — наибольшее количество нейтронов и гамма-квантов, которое он способен зарегистрировать в секунду. При передаче данных с помощью аналогового сигнала максимальная скорость счета прибора достигала около 2⋅103 отсчетов в секунду, что соответствовало частоте ускорителя в 50 Гц. При изменении частоты ускорителя детектор показал линейное изменение интенсивности нейтронного и гамма-излучения в мишенном зале. С. Нуруев пояснил, что полученный аналоговый сигнал детектора преобразовывался в сигнал TTL (при передаче которого задействуется технология транзисторно-транзисторной логики). Использование технологии TTL необходимо для качественной передачи информации от детектора, расположенного в мишенном зале, до пульта управления, так как «необработанный» аналоговый сигнал при прохождении этого расстояния ослабевает настолько, что его невозможно обрабатывать.
Установка ИРЕН, расположенная в одном из зданий Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ, помогает решать многообразные задачи, в том числе изучать электромагнитную структуру нейтрона, а также получать ядерные данные для астрофизики и различных прикладных исследований. Прежде для наблюдения за системой применялась более дорогостоящая технология.
«Ранее мы использовали для оценки состояния ИРЕН гелиевый детектор. Эта технология достаточно дорого стоит из-за высокой стоимости гелия. Поэтому мы разработали на замену этому подходу более экономически выгодную, доступную и современную систему, — рассказал Сабухи Нуруев. — Созданный нами детектор компактнее, его рабочее напряжение ниже, чем у других фотоумножителей, кроме того, это устройство более устойчиво к радиации и нечувствительно к воздействию магнитного поля. Поэтому использовать подобные детекторы более удобно».
С. Нуруев добавил, что в будущем новый детектор может обрести применение не только в ИРЕН, но и на других установках. Однако технологию еще предстоит довести до совершенства.
«В целом с помощью нового детектора можно наблюдать любые системы, где есть необходимость контролировать интенсивность нейтронного и гамма-излучения. Однако наша технология совершенно новая, поэтому, чтобы применять ее в других областях, требуются дополнительные исследования, калибровка детектора и последующая оценка стабильности его работы. Мы занимаемся этим в настоящее время», — сообщил ученый.
Детали исследования и технологии можно узнать из статьи, опубликованной коллективом исследователей в журнале Nuclear Engineering and Technology.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: Сабухи Нуруев / ОИЯИ