Гетерогенный сцинтиллятор на основе литиевого стекла для регистрации тепловых нейтронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Зимин Илья Юрьевич

• Зимин Илья Юрьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Зимин Илья Юрьевич

Введение

Глава 1. Детектирование нейтронов

1.1 Сцинтилляционные детекторы

1.2 Детекторы нейтронов на основе литиевых стекол

1.3 Электронные методы дискриминации гамма-квантов

1.3.1 Регистрация на постоянном пороге

1.3.2 Селекция по форме импульса

1.4 Создание специальных конфигураций сцинтиллятора

1.4.1 Тонкий сцинтиллятор

1.4.2 Волокна из литиевого стекла

1.4.3 Метод антисовпадений

1.4.4 Композитный сцинтиллятор

1.5 Композитный детектор тепловых нейтронов

1.6 Заключение к Главе

Глава 2. Сцинтилляционный детектор нейтронов на основе литиевого стекла

2.1 Детектор

2.2 Экспериментальные измерения

2.3 Характеристики высвечивания сцинтиллятора

2.4 Заключение к Главе

Глава 3. Оптимизация структуры гетерогенного сцинтиллятора

3.1 Монте-Карло модель детектора на основе гомогенного сцинтиллятора

3.2 Оптимизация структуры гетерогенного сцинтиллятора

3.2.1 Эффективность регистрации нейтронов композитом

3.2.2 Гамма-чувствительность композита

3.3 Заключение к Главе

Глава 4. Исследование образцов гетерогенных сцинтилляторов. Сравнение с другими методами нейтрон/гамма-дискриминации

4.1 Исследование образцов гетерогенных сцинтилляторов

4.1.1 Изготовление образцов

4.1.2 Эксперимент

4.1.3 Эффективность регистрации нейтронов

4.1.4 Гамма-чувствительность

4.2 Методы нейтрон/гамма-дискриминации для детектора на основе гомогенного литиевого стекла

4.2.1 Первичная обработка

4.2.2 Селекция на постоянном пороге

4.2.3 Селекция по длительности импульса

4.2.4 Разделение методом интегрирования заряда

4.2.5 Сравнение методов разделения нейтронов и гамма-квантов

4.3 Заключение к Главе

Заключение

Благодарности

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гетерогенный сцинтиллятор на основе литиевого стекла для регистрации тепловых нейтронов»

Введение

Актуальность проблемы. Техника детектирования нейтронов является важной задачей в нейтронных исследованиях. Одни из самых популярных детекторов - это счетчики на основе 3Не. Они обладают рядом преимуществ: таких как высокая эффективность детектирования нейтронов, ограниченная чувствительность к гамма-квантам, высокое быстродействие (минимальное "мертвое время" = 0,43 мкс) [1]. Однако, в последнее десятилетие стоимость газа 3Не резко выросла. Данное обстоятельство стимулирует поиск новых технологий регистрации нейтронов.

Существующие детекторы обладают недостаточно хорошими характеристиками, чтобы полноценно заменить гелиевые счетчики. Например, детектор тепловых нейтронов на основе композита, составленного и кристаллов 6LiF и ZnS (Ag), имеет плохую прозрачность. Это связано с большой разницей коэффициентов преломления кристаллов 6LiF (п = 1,4) и ZnS (Ag) (п = 2,4), поэтому такой сцинтиллятор используется в виде тонких слоев около 0,5 мм [2-6]. Минимальное "мертвое время" такого сцинтиллятора равно = 2,5 мкс. EJ-420 и EJ-426 являются примерами сцинтилляторов, представленных в серийном производстве [7-8] (см. Таблица 1). Недавно изготовленный новый нейтронный сцинтиллятор, имеют высокую стоимость, а также есть ограничения по его размеру [9].

Таблица 1. Сравнение характеристик современных сцинтилляторов предназначенных для регистрации тепловых нейтронов.

Гамма -чувствите льность Эффективнос ть регистрации нейтронов при толщине Быстрая компонента Мертвое время Послесвече ние

Гетерогенный сцинтиллятор 10-6 55%, 2 мм 15 нс 200 нс 500 нс

Литиевое стекло КЕ 912 10-4 91%, 2 мм 15 нс 200 нс 500 нс

EJ-420 10-7 55%, 6,5 мм 200 нс 2,5 мкс до 10 мкс

EJ-426 10-7 31%, 0,5 мм 200 нс 2,5 мкс до 10 мкс

Еще один хорошо известный сцинтиллятор, предназначенный для регистрации нейтронов - это литиевое стекло (см. Таблица 1) [10]. Из его преимуществ можно отметить прозрачность, высокую эффективность регистрации нейтронов и малое "мертвое время". Серьезным минусом этого сцинтиллятора является высокая чувствительность к гамма-квантам (см. Рисунок 1). Из Рисунка 1 видно, что при работе детектора при высоком гамма-фоне в счетном режиме с установленным порогом, будет значительное число гамма-квантов, ложно принятых за нейтроны. Изменение значения порога не приведет к улучшению ситуации.

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000

Л_I__I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

560 580 600 620 640 660 680 700 720

Заряд, пКл

Рисунок 1. Спектры событий, зарегистрированных от источника у-квантов 60Co и от тепловых нейтронов в литиевом стекле NE 912. На один нейтрон попавший сцинтиллятор приходится 104 гамма-квантов.

Существуют два основных подхода по снижению гамма-чувствительности. Первый заключается в создании сцинтилляторов с гетерогенной структурой (композитов) на основе литиевого стекла. Второй - это нейтрон/гамма дискриминация посредством аналогового или цифрового анализа сигнала.

В предлагаемой диссертационной работе представлены результаты разработки детектора на основе гетерогенного сцинтиллятора (см. Таблица 1). С помощью Монте-Карло моделирования были оптимизированы параметры структуры композита. Испытания созданного детектора на пучках тепловых нейтронов и гамма-квантов показали, что он обладает характеристиками, позволяющими успешно решать задачи регистрации нейтронов в присутствии

событии

гамма-фона. На Рисунке 2 продемонстрировано снижение чувствительности детектора к гамма-фону при использовании гетерогенного сцинтиллятора.

Рисунок 2. Спектры событий, зарегистрированных от источника у-квантов 60Co и от тепловых нейтронов в гетерогенном сцинтилляторе на основе литиевого стекла NE 912. На один нейтрон попавший сцинтиллятор приходится 104

гамма-квантов.

Применение данного детектора возможно в нейтронной трансмиссионной дифракции (neutron transmission diffraction), где потоки нейтронов могут достигать 105-106 нейтронов/(с-1 • см-1) и присутствует высокий гамма-фон [11-13].

Цель и задачи. Целью настоящей диссертации является разработка гетерогенного сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов на основе литиевого стекла с выбором оптимальной структуры, позволяющей минимизировать гамма-чувствительность детектора при сохранении высокой эффективности к нейтронам. Для этой цели были решены следующие задачи:

1. Изготовлен детектор нейтронов на основе гомогенного литиевого стекла. Проведены эксперименты на пучках тепловых нейтронов (ИБР-2М) и с источником у-квантов 60Co.

2. Создана Монте-Карло модель данного детектора. С помощью этой модели и экспериментальных результатов были уточнены параметры сцинтиллятора: световыход при захвате нейтрона, усредненный для продуктов реакции захвата нейтрона квенчинг-фактор, временные параметры высвечивания.

3. Создана Монте-Карло модель детектора на основе гетерогенного сцинтиллятора. С ее помощью были определены оптимальные структурные параметры исследуемого материала, такие как размер фрагментов и их концентрация.

4. Разработаны и изготовлены образцы композитных сцинтилляторов с тремя различными связующими полимерами и тремя различными концентрациями литиевого стекла.

5. Проведены испытания образцов в составе детектора на пучке тепловых нейтронов и с источником гамма-квантов 60Со.

6. Определены эффективность регистрации тепловых нейтронов и гамма-чувствительность в сравнении с гомогенным стеклянным сцинтиллятором.

Научная новизна данного исследования заключается в создании быстрого гетерогенного сцинтиллятора (загрузочная способность 2 • 106), у которого уровень чувствительности к гамма-квантам ниже на два порядка, чем у гомогенного литиевого стекла. При этом эффективность регистрации тепловых нейтронов не менее 50%.

Практическая значимость. Такая технология позволяет создавать дешевые детекторы нейтронов (малое количество стекла, отсутствие необходимости в создании оптических поверхностей) произвольной формы и больших объемов при использовании спектросмещающих волокон.

Достоверность полученных результатов подтверждается проверкой моделирования путем испытания реальных образцов в экспериментах на реакторе, с использованием стандартной аппаратуры высокой точности и проверенных методов обработки экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Созданы образцы композитных сцинтилляторов, с уровнем нейтрон/гамма-дискриминации на 2 порядка лучше, чем у гомогенного литиевого стекла.

2. Уточнены характеристики литиевого стекла КЕ 912: световыход при захвате нейтрона, усредненный для продуктов реакции захвата нейтрона квенчинг-фактор, временные параметры высвечивания.

3. С помощью Монте-Карло модели найдена оптимальная область параметров структуры композита, при которых достигаются лучшие характеристики сцинтиллятора.

Личный вклад автора диссертации включает в себя:

• Автор создал и работал с Монте-Карло моделями детекторов на основе гомогенного и гетерогенного стекла.

• Участвовал в испытаниях образцов на тепловых нейтронах и гамма-квантах.

• Создал программы для анализа данных, полученных при измерениях. Обрабатывал экспериментальные данные с их помощью.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в трех статьях журнала Приборы и техника эксперимента, а также докладывались автором на научных семинарах ЛЯП ОИЯИ.

Публикации. По теме диссертационной работы были опубликованы 3 научные работы [14-16] в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Полный объём диссертации составляет 83 страницы, включая 32 рисунка и 9 таблиц. Список использованных источников состоит из 93 наименований.

Краткое содержание диссертации.

В Главе 1 обсуждается одна из проблем в области регистрации нейтронов. Рассматриваются различные пути ее решения, одним из которых является использование литиевых стекол. Они обладают серьезным недостатком - это

высокая чувствительность к гамма-квантам. В этой главе дается подробный обзор методов ее снижения.

В Главе 2 диссертации описано устройство детектора на основе гомогенного сцинтиллятора и калибровка ФЭУ, входящего в его состав. Приводится описание испытаний детектора на пучках тепловых нейтронов и с источником гамма-квантов. Проведен анализ экспериментальных данных. В результате были получены спектры сигналов с детектора от нейтронов и гамма-квантов и уточнены временные характеристики сцинтиллятора.

В первой части Главы 3 описывается Монте-Карло модель детектора из Главы 2. С ее помощью были получены такие характеристики как световыход при захвате нейтрона и усредненный для продуктов реакции захвата нейтрона квенчинг-фактор. Во второй части Главы 3 описана Монте-Карло модель детектора на основе гетерогенного сцинтиллятора. Используя эту модель, были оптимизированы параметры этого сцинтиллятора, что позволило достигнуть улучшения характеристик детектора.

В первой части Главы 4 описан процесс изготовления гетерогенного сцинтиллятора на основе литиевого стекла. Протестированы образцы сцинтиллятора на нейтронах и гамма-квантах. Получены их чувствительность к гамма-квантам и эффективность регистрации нейтронов. Проведено сравнение характеристик этих образцов с характеристиками гомогенного стекла. Показано, что удалось понизить чувствительность к гамма-квантам на два порядка при незначительном понижении эффективности детектора к нейтронам. Во второй части Главы 4 сравнены различные цифровые методы дискриминации гамма-квантов с методом создания композитной структуры сцинтиллятора.

В Заключении подведены итоги проделанной работы и сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

Глава 1. Детектирование нейтронов

1.1 Сцинтилляционные детекторы

В ядерной физике, физике высоких энергий и астрофизике и т. д. для изучения свойств частиц используются специальные приборы, а именно детекторы. Они представлены широким набором: ионизационные камеры [17-19], полупроводниковые детекторы [20-22], сцинтилляционные детекторы [23-25], пропорциональные счетчики [26-28] и т. д. Ни один из этих типов не является универсальным для решения любой задачи. Детекторы характеризуются набором параметров, например, эффективность регистрации, позиционная чувствительность, линейность, разрешение измеряемой величины, "мертвое время", размер, стоимость и т. д. На основании требований к детектору, определяемых условиями эксперимента, среди потенциальных кандидатов выбирается, тот тип, который удовлетворяет им лучше всего.

Одним из основных типов детекторов являются детекторы на основе сцинтилляционных материалов. Сцинтиллятор - это вещество, порождающее световые вспышки, возникающие под действием ионизирующего излучения.

При прохождении заряженной частицы (электрон, протон, альфа-частица, ион и т. д.) через сцинтиллятор, происходит ионизация и возбуждение вещества, впоследствии приводящие к рождению фотонов. Если рассматривать электрон, то число родившихся фотонов пропорционально энергии, выделенной им в материале. В случае тяжелых заряженных частиц происходит "гашение" вспышки. Для сцинтилляционных материалов был введен квенчинг-фактор, чтобы количественно отразить снижение интенсивности вспышки. Он равен отношению числа фотонов, образовавшихся при ионизации сцинтиллятора тяжёлой заряженной частицей, к числу фотонов, при ионизации сцинтиллятора электроном, при одинаковом количестве оставленной энергии в сцинтилляторе.

В качестве фотоприемника используются фотодиоды, фотоэлектронные умножители (ФЭУ) или кремниевые фотоумножители, которые выдают импульс с суммарным зарядом, пропорциональным числу зарегистрированных фотонов.

При необходимости регистрации частиц с нейтральным зарядом (гамма-кванты, нейтроны и т. д.) используются различные реакции, приводящие к появлению заряженной частицы. Например, для нейтронов рассеяние на ядрах материала или захват ядрами (3Не, 10В и т. д.) и последующий распад с продуктами реакции, имеющими заряд, отличный от нулевого. Для гамма-квантов - фотоэффект, эффект Комптона, образование электронно-позитронных пар и т. д.

1.2 Детекторы нейтронов на основе литиевых стекол

Детекторы нейтронов находят разностороннее применение в различных дисциплинах, включая фундаментальные исследования, эксперименты физики частиц и ядерной физики с нейтроном в конечном состоянии [29-40], для создания аппаратуры контроля за перемещением делящихся материалов (нейтроны излучают оружейные изотопы) [41-42], для задач радиографии (просвечивание нейтронами различных объектов) [43-44] и нейтронографии (исследование структуры вещества при рассеянии тепловых нейтронов) [45-48].

Широко распространенные детекторы на основе 3Не зарекомендовали себя, как эталонные детекторы нейтронов [49-51]. Они представляют собой пропорциональные счетчики, заполненные 3Не под давлением. Основные преимущества прибора - это высокая эффективность обнаружения нейтронов, долговечность и низкая чувствительность к гамма-излучению. Однако, существует одно серьезное препятствие для повсеместного использования этих детекторов. Изотоп 3Не является весьма редким. Это привело к глобальное нехватке газа. На момент возникновения этой проблемы аналоги рассматриваемых детекторов проигрывали им по характеристикам и не могли стать их полноценной заменой. Например, недостаток широко используемого композитного сцинтиллятора 6LiF/ZnS (Ag) заключается в том, что непрозрачен. Данный сцинтиллятор

изготавливается такими фирмами как Saint-Gobain [52], Scintacor [53] и Eljen Technology [54].

Сложившаяся ситуация мотивирует к разработке детекторов с альтернативными методами регистрации нейтронов и использованием более доступных материалов. В наше время научные группы из таких организаций, как Лос-Аламосская национальная лаборатория (США) [55-56], Ливерморская национальная лаборатория (США) [57], Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Россия) [58], Университет штата Пенсильвания (США) [59-61] и Университет штата Калифорния в Сан-Франциско (США) [57] занимаются решением данного вопроса.

В последнее время вновь появился интерес к хорошо известным литиевым стёклам [59-61] (см. Таблица 2). Образец такого стекла толщиной 2 мм имеет эффективность конверсии тепловых нейтронов на уровне 91%. Литиевые стекла имеют световыход порядка 3200 фотонов на МэВ [62]. Благодаря тому, что время высвечивания основной компоненты около 60 нс [63], эти сцинтилляторы считаются быстродействующими.

Таблица 2. Химический состав литиевых стекол фирмы Nuclear Enterprise

[10]

Массовая доля в % Массовая доля 6Li в %

SiO2 MgO А120з Ce2O3 Li2O Li

NE901 54 24 9 3,8 5,3 2,5 0,155

NE 905 57 4 18 4,0 17,1 7,9 5,42

NE 908 75 - - 4,6 20,7 8,9 7,88

NE912 75 - - 4,6 20,7 8,9 7,73

Нейтроны имеют два способа взаимодействия с материалом литиевого стекла при прохождении через него: рассеяние на легких ядрах и захват на ядрах входящего в состав сцинтиллятора. При низких энергиях сечение захвата нейтрона растет (см. Рисунок 3) [64].

10000

1000

-би(п,04Не

--Нтегта! епегду

г 100

е

1 10

о

«л

(А

О

о 1

0.1

001

ИМ

11111

1Е-2 1Ё-1 1Е+0 1Е+1 1Е+2 1Е+3 1Е+4 1Е+5 1Е+6 1Е+7

Епегду [е\Л

Рисунок 3. Сечение реакции захвата ^(пД)4Не [64].

Кинетическая энергия теплового нейтрона имеет значение близкое к тепловой энергии движения молекул газа при комнатной температуре (0,025 эВ). Сечение захвата теплового нейтрона на ядре ^ равно 940 б.

Продукты реакции захвата нейтрона на ядре 6Ы (альфа-частица и тритон) сталкиваются с окружающими атомами стекла и отрывают у них электроны. Эти электроны называются свободными, и они мигрируют сквозь материал стекла, испытывая множественные столкновения с окружающими их атомами. Некоторые из свободных электронов передают энергию электронам с внешних оболочек ионов Се3+, вводя их в возбужденное состояние. Примерно через 0,14 мкс возбужденные электроны возвращаются в изначальное состояние обычно испуская фотон с длиной волны около 395 нм, уносящий их энергию возбуждения. [10] Альфа-частица и тритон вызывают излучение множества фотонов в короткий промежуток времени, которые формируют световой импульс.

Серьезным недостатком этого материала является высокая чувствительность к гамма-квантам. При работе с источниками нейтронов зачастую присутствует значительный фон, состоящий из гамма-квантов. Зачастую он превышает загрузку от нейтронов. У счетчиков на основе литиевого стекла, как

^ + п ^3Н(2,75 МэВ) + 4Не(2,05 МэВ)

и у большинства современных детекторов нейтронов, амплитудные распределения сигналов от нейтронов и гамма-квантов имеют область перекрытия (см. Рисунок 4). Это приводит к искажению результатов измерения. Если для селекции использовать метод регистрации на постоянном пороге, то можно добиться незначительного снижения чувствительности детектора к гамма-квантам путем увеличения порога регистрации. Но это приведет к значительному уменьшению эффективности регистрации нейтронов.

Меи^оп/датгпа Бе1ес1:м1у - 6520

1

-1-1-1-<-1-1

40 во 120 160 аоо гад Рн^е НфнМ

Рисунок 4. Распределение амплитуд сигналов с детектора при облучении литиевого стекла GS20 тепловыми нейтронами и гамма-квантами (60Со) [65].

Основную часть подходов решения этой проблемы можно разделить на две большие группы. Первая группа - это поиск методов, которые на уровне электроники разделяют импульсы нейтронов и гамма-квантов. Вторая группа -это создание сцинтилляторов, с нестандартной структурой, на основе литиевых стекол с разнообразными геометриями и оптическими характеристиками с целью уменьшения яркости вспышки от гамма-квантов.

1.3 Электронные методы дискриминации гамма-квантов

Принцип действия методов этой группы заключается в разделении импульсов от нейтронов и гамма-квантов на программном уровне. В данном разделе будет рассмотрено три часто используемых метода из этой группы: регистрация на постоянном пороге, селекция по форме импульса и метод антисовпадений.

1.3.1 Регистрация на постоянном пороге

Метод регистрации на постоянном пороге построен на разделении световых импульсов от нейтронов и гамма-квантов по амплитуде [14, 56]. Хотя и нейтроны, и гамма-кванты, попадающие в литиевое стекло, могут вызвать сцинтилляцию, гамма-кванты, которые рассеиваются в стекле, обычно приводят к образованию меньшего числа фотонов (и, следовательно, более слабые световые вспышки), чем продукты реакции захвата нейтронов на ядрах 6Li. Фотодетектор, реагирующий на эти световые импульсы, регистрирует их амплитуды, величина которых примерно пропорциональна общему количеству произведенных фотонов. Следовательно, если детектор настроить на игнорирование импульсов, амплитуда которых ниже соответствующего порога, большая часть сцинтилляций, вызванных гамма-квантами, будет устранена.

Этот метод также применим для работы с зарядами импульсов от нейтронов и гамма-квантов.

1.3.2 Селекция по форме импульса

Селекция по форме импульса (PSD - Pulse Shape Discrimination) позволяет различать нейтроны и гамма-кванты, выявляя различия в том, как яркость сцинтилляционной вспышки, порождаемой каждым типом частиц, меняется со временем. Такие различия будут отражаться на форме импульсов сигналов, получаемых с детектора [66-68]. Если электроника детектора позволяет подавлять импульсы, форма которых соответствует гамма-квантам, то его чувствительность к гамма-излучению может быть значительно снижена.

Один из самых распространенных подходов основан на интегрировании общего заряда за два разных периода времени (см. Рисунок 5). Соотношение этих значений будет примерно постоянным для импульсов от одного и того же типа частиц, независимо от амплитуды импульса. Учитывая это вводится параметр:

где QS и QL - это заряды, полученные путем интегрирования в разных временных периодах. Распределение параметра PS имеет вид, показанный на Рисунке 6. Для оценки качества разделения импульсов используется параметр FOM:

где Рп и Ру - это математическое ожидание распределений, ДРП и ДРУ - это ширина спектра на полувысоте. Параметр FOM позволяет выбрать такие временные интервалы интегрирования, при которых будет достигаться лучший уровень разделения сигналов.

На следующем этапе выбирается порог для разделения сигналов гамма-квантов и нейтронов. Сигналы, у которых значение параметра Р8 выше порога, считаются сигналами от нейтронов, остальные - от гамма-квантов. При правильно выбранном пороге можно добиться значительного уровня подавления чувствительности детектора к гамма-квантам.

Тшгагатр

Рисунок 5. Диапазоны интегрирования сигнала. [68]

Рисунок 6. Распределение параметра Р^ [68]

В то же время существует недостаток такого подхода. Это усложнение детекторной системы и ограничение эффективности метода для высоких скоростей счета и в широком динамическом диапазоне амплитуд сигналов [69].

1.4 Создание специальных конфигураций сцинтиллятора

Общий принцип этих методов заключается в снижения гамма-чувствительности детекторов на основе литиевого стекла путем уменьшения числа фотонов, рождающихся при облучении гамма-квантами.

Основной процесс взаимодействия гамма-квантов с чувствительной частью детектора - это эффект Комптона. Длина пробега электрона в литиевом стекле порядка нескольких миллиметров. Длина пробега продуктов реакции захвата нейтрона на ядре тритона и альфа-частицы, в сцинтилляторе соответственно равны 36 и 6 мкм. Это на порядки меньше, чем длина пробега электрона. Используя эти знания, можно выбрать так размер сцинтиллятора, что электроны с высокой энергией будут покидать объем литиевого стекла и оставлять часть своей энергии за пределами сцинтиллятора. Таким образом будет меньше образовываться фотонов и амплитуды импульсов от гамма-квантов уменьшаться. В то время как треки тритона и альфа-частицы будут по-прежнему полностью укладываться в сцинтилляторе, и соответственно яркость вспышки останется прежней.

1.4.1 Тонкий сцинтиллятор

В данном подходе для регистрации нейтронов используется тонкий сцинтиллятор толщиной ~1 мм. Здесь большая часть электронов будет просачиваться наружу, а также незначительная часть тритонов и альфа-частиц. Поскольку большая часть электронов выйдет из стекла до того, как отдаст всю свою энергию, немногие из них вызовут интенсивные сцинтилляционные вспышки. Хотя значительное количество гамма-квантов по-прежнему будут вызывать образование сравнительно небольшого количества света, эти события можно легко игнорировать, используя метод регистрации на постоянном пороге.

Ряд экспериментов подтвердил, что гамма-чувствительность сцинтиллятора из литиевого стекла существенно снижается по мере того, как стекло становится все тоньше [70-71]. Однако уменьшение толщины листа литиевого стекла в детекторе также снижает его эффективность регистрации нейтронов, как потому, уменьшается вероятность захвата нейтрона, так и потому, что для очень тонких листов стекла значительная часть продуктов захвата нейтронов может выйти наружу.

1.4.2 Волокна из литиевого стекла

Данный метод снижения гамма-чувствительности стеклянного сцинтиллятора с разработанный в Тихоокеанской северо-западной

национальной лаборатории (РКЫЪ), использует тонкие (диаметром ~0,1 мм) волокна из сцинтилляционного стекла. [72-73] Эти волокна могут быть покрыты подходящим полимером или встроены в него, чтобы увеличить их долговечность и замедлить падающие нейтроны, увеличивая вероятность того, что нейтроны будут обнаружены. [74]

1.4.3 Метод антисовпадений

Метод антисовпадений основан на использовании дополнительного детектора, по сигналам которого можно определить, следует ли принять или отклонить импульс от основного детектора. Дополнительный детектор предназначен для регистрации электронов, образовавшихся при взаимодействии гамма-квантов с материалом основного детектора. Если импульс от основного детектора поступит одновременно с сигналом от дополнительного детектора, то импульс основного детектора нейтронов будет определен как от гамма-кванта.

Измерения, выполненные несколько десятилетий назад учеными из университета Бригама Янга, позволили оценить полезность метода антисовпадений для детектора нейтронов, сконструированного с использованием тонкого диска из стекла помещенного внутри световой трубы из оргстекла и зажатого между двумя пластинами пластикового сцинтиллятора [70]. Для

оптической изоляции двух типов сцинтилляторов друг от друга использовалась высокоотражающая алюминиевая фольга, а для одновременного измерения световых сигналов двух независимых систем использовались отдельные фотодетекторы.

Были протестированы стеклянные сцинтилляторы разных толщин при облучении их гамма-квантами различной энергии. Во всех случаях было обнаружено, что большая часть световых импульсов от гамма-квантов в литиевом стекле, которые были достаточно интенсивными, чтобы их можно было принять за нейтроны, возникали одновременно со световыми импульсами в пластиковом сцинтилляторе. Такие импульсы от пластикового сцинтиллятора были приписаны электронам, которые приобретали импульс вследствие взаимодействия гамма-квантов с материалом стекла, а затем просачивались в пластик.

Также совсем недавно вариант этого метода антисовпадений с некоторым успехом был применен к детекторам на основе волокон из литиевого стекла [75].

1.4.4 Композитный сцинтиллятор

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зимин Илья Юрьевич, 2024 год

Список литературы

1) Loaiza D. J. High-efficiency 3He proportional counter for the detection of delayed neutrons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1999. - Vol. A422. - P. 43-46.

2) Detector for the FSD Fourier-diffractometer Based on ZnS(Ag)/6LiF Scintillation Screen and Wavelength Shifting Fiber Readout / E.S. Kuzmin [et al.] // Journal of Neutron Research - 2002. - Vol. 10. - P. 31-41.

3) Digital signal processing for a thermal neutron detector using ZnS (Ag):6LiF scintillating layers read out with WLS fibers and SiPMs / J.-B. Mosset [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2016. - Vol. A824. - P. 319-321.

4) The BC-704 Scintillation Screen with Light Readout by Wavelength Shifting Fibers as a Highly Efficient Neutron Detector / J. Iwanowska [et al.] // IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record - 2011. - P. 423-426.

5) Study of the thermal neutron detector ZnS(Ag)/LiF response using digital pulse processing / F. Pino [et al.] // Journal of Instrumentation - 2015. -Vol. 10. - T08005.

6) A study of ZnS(Ag)/6LiF with different mass ratios / C. Wu [et al.] // Radiation Measurements - 2013. - Vol. 58. - P. 128-132.

7) Thermal neutron detection EJ-420: [Электронный ресурс] // Eljen Technology. https://eljentechnology.com/products/neutron-detectors/ej-420 (Дата обращения 11.01.2024).

8) Thermal neutron detection EJ-426: [Электронный ресурс] // Eljen Technology. https://eljentechnology.com/products/neutron-detectors/ei-426 (Дата обращения 11.01.2024).

9) Optical and scintillation properties of pure and Ce3+-doped Cs2LiYCl6 and Li3YCl6:Ce3 crystals / C.M., Combes [et al.] // Journal of Luminescence -1999.-Vol. 82.-P. 299-305.

10) Spowart A. R. Neutron scintillating glasses: Part 1: Activation by external charged particles and thermal neutrons // Nuclear Instruments and Methods - 1976.-Vol. 135.-P. 441-453.

11) Strain imaging by Bragg edge neutron transmission / J.R. Santisteban [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section -2002. - Vol. A481. - P. 765-768.

12) / J.R. Santisteban [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2012. - Vol. A680. - P. 27-34.

13) Нейтронный фурье-стресс-дифрактометр FSS на реакторе ИБР-2: результаты модернизации и перспективы дальнейшего развития / Г.Д. Бокучава [и др.] // Приборы и техника эксперимента - 2022. - № 5. -С. 3-13.

14) Монте-Карло модель сцинтилляционного детектора нейтронов на основе литиевого стекла / Е. С. Кузьмин [и др.] // Приборы и техника эксперимента - 2021. - №2.-С. 25-31.

15) Кузьмин Е.С. Оптимизация структуры гетерогенного сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов /Е.С. Кузьмин, И.Ю. Зимин // Приборы и техника эксперимента - 2021. - № 5. - С. 22-27.

16) Изготовление и характеристики композитных сцинтилляторов на основе литиевого стекла / Е. С. Кузьмин [и др.] // Приборы и техника эксперимента - 2022. - № 4. - С. 51-56.

17) H.W. Fulbright Ionization chambers // Nuclear Instruments and Methods - 1979. - Vol. 21. - P. 21-28.

18) Shenhav N. J. The mass dependence of the signal peak height of a Bragg-curve ionization chamber / N. J. Shenhav, H. Stelzer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1985. - Vol. A228. -P. 359-364.

19) Bragg peak spectroscopy of low-energy heavy ions / R. Kotte [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1987. -Vol. A257.-P. 244-252.

20) Energy resolution of silicon detectors: approaching the physical limit / E. Steinbauer [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1994. - Vol. B85. - P. 642-649.

21) A survey of the physical processes which determine the response function of silicon detectors to alpha particles / E Steinbauer [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1994. -Vol. A339.-P. 102-108.

22) England J.B.A. A note on the detection of heavy ions by over-biased totally depleted thin surface barrier detectors // Nuclear Instruments and Methods - 1972. - Vol. 102. - P. 365-366.

23) The use of the thin plastic scintillator focused by using concave ellipsoidal mirror in heavy ion TOF / Z. Youxiong [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1995. - Vol. A355. -P. 464-468.

24) C. W. E. van Eijk. Development of inorganic scintillators // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1997. - Vol. A392. -P. 285-290.

25) A new vertex detector made of glass capillaries / P. Annis [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1997. -Vol. A386.-P. 72-80.

26) Brackenbush L. A new type of rem measuring instrument / L. Brackenbush, G. W. R. Endres, and D. E. Hadlock // IEEE Transactions on Nuclear Science - 1986. - Vol. 33 - P. 610-612.

27) Fischer B.E. A digital processor for position sensitive detectors // Nuclear Instruments and Methods - 1977. - Vol. 141. - P. 173-181.

28) Charpak G. Multiwire proportional chambers and drift chambers / G. Charpak, F. Sauli // Nuclear Instruments and Methods - 1979. - Vol. 162. -P. 405-428.

29) Elliott S. R. Double Beta Decay / S. R. Elliott, P. Voge // Annual Review of Nuclear and Particle Science - 2002. - Vol. 52. - P. 115-151.

30) The proposed Majorana 76Ge double-beta decay experiment / C. E. Aalseth [et al.] // Nuclear Physics B - Proceedings Supplements - 2005. -Vol. B138.-P. 217-220.

31) Status of the Germanium Detector Array (GERDA) in the search of neutrinoless PP decays of 76Ge at LNGS(Conference Paper) / S. Schonert [et al.] // Physics of Atomic Nuclei - 2011. - Vol. 69. - P. 2101-2108.

32) New results from the Cryogenic Dark Matter Search experiment / D. S. Akerib [et al.] // Physical Review - 2003. - Vol. D68. - P. 082002.

33) Gaitskell R. J. Direct detection of dark matter // Annual Review of Nuclear and Particle Science - 2004. - Vol. 54. - P. 315-359.

34) Limits on WIMP dark matter using scintillating CaWO4 cryogenic detectors with active background suppression / G. Angloher [et al.] // Astroparticle Physics - 2005. - Vol. 23. - P. 325-339.

35) Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector / B. Cleveland [et al.] // The Astrophysical Journal -1998.-Vol. 496.-P. 505-526.

36) GALLEX solar neutrino observations: Results for GALLEX IV / W. Hampel [et al.] // Physics Letters - 1999. - Vol. B447. - P. 127-133.

37) Solar 8B and hep Neutrino Measurements from 1258 Days of Super-Kamiokande Data / S.Fukuda [et al.] // Physical Review Letters -2001.-Vol. 86.-P. 5651-5655.

38) Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal. III. Results for the 2002-2007 data-taking period / J. N. Abdurashitov [et al.] // Physical Review - 2009. - Vol. C80. - P. 015807.

39) McKinsey D. N. Neutrino detection with CLEAN / D. N. McKinsey, K. J. Coakley // Astroparticle Physics - 2005. - Vol. 22. - P. 355-368.

40) Determination of the ve and total 8B solar neutrino fluxes using the Sudbury Neutrino Observatory Phase I data set / B. Aharmim [et al.] // Physical Review - 2007. - Vol. C75. - P. 045502.

41) Neutron response characterization for an EJ299-33 plastic scintillation detector / C. C. Lawrence [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2014. - Vol. A759. - P. 16-22.

42) Pozzi S. A. Pulse shape discrimination in the plastic scintillator EJ-299-33 / S. A. Pozzi, M. M. Bourne, S. D. Clarke //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2013. - Vol. A723. - P. 19-23.

43) The pilot experimental study of 14 MeV fast neutron digital radiography / B. Tang [et al.] // Science in China Series G - 2009. - Vol. G52.-P. 1330-1336.

44) Dietrich F. Conceptual design for a neutron imaging system for thick target analysis operating in the 10-15 MeV energy range / F. Dietrich, J. Hall, C. Logan // The fourteenth international conference on the application of accelerators in research and industry - 1997. - Vol. 392. - P. 837-840.

45) The upgraded IPNS single crystal diffractometer / A. J. Schultz [et al.] // Physica - 2006. - Vol. B385-386. - P. 1059-1061.

46) Position-sensitive detectors of the detector group at Jülich / R. Engels [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section -2009. - Vol. A604. - P. 147-149.

47) Design and performance of a large area neutron sensitive anger camera / R. A. Riedel [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2015. - Vol. A794. - P. 224-233.

48) Rhodes N. J. Scientific Reviews: Status and Future Development of Neutron Scintillation Detectors / Neutron News - 2006. - Vol. 17. - P. 16-18.

49) Shalev S. The wall effect in 3He counters / S. Shalev, Z. Fishelson, J. M. Cuttler // Nuclear Instruments and Methods - 1969. - Vol. 71. - P. 292-296.

50) Sailor W. C. Monte Carlo calculation of the response function for a 3He neutron spectrometer / W. C. Sailor, S. G. Prussin and M. S. Derzon // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - 1988. - Vol. A270.-P. 527-536.

51) Neutron response of an 3He proportional counter / E. Dietz [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1993. -Vol. A332.-P. 521-528.

52) ZnS(Ag) Zinc Sulfide Scintillation Material: [Электронный ресурс] // HEP Group Research Web Pages. https://www.hep.ph.ic.ac.uk/fets/pepperpot/docs+papers/zns 602.pdf (Дата обращения 11.01.2024).

53) Neutron Screens: [Электронный ресурс] // Scintacor. URL: https://scintacor.com/wp-content/uploads/2015/09/Datasheet-Neutron-Scre ens-High-Res.pdf (Дата обращения 11.01.2024).

54) Thermal neutron detection EJ-426: [Электронный ресурс] // Eljen Technology. URL: https://eljentechnology.com/products/neutron-detectors/ei-426 (Дата обращения 11.01.2024).

55) Pulse Shape Discrimination Properties of Neutron-Sensitive Organic Scintillators / A. Favalli [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science -2013.-Vol. 60-P. 1053-1056.

56) Neutron detector based on Particles of 6Li glass scintillator dispersed in organic lightguide matrix / K.D. Ianakiev [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2015. - Vol. A784. - P. 189-193.

57) Fabrication and characterization of a lithium-glass-based composite neutron detector / G.C. Rich [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2015. - Vol. A794. - P. 15-25.

58) Chernukhin Y. I. Fast-neutron heterogeneous scintillation detector with high discrimination of gamma background / Y. I. Chernukhin, A. A. Yudov, S. I. Streltsov // Nuclear Energy and Technology - 2015. - Vol. 1. - P. 130-134.

59) Development and characterization of a neutron detector based on a lithium glass-polymer composite / M. Mayer [et al.] //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2015. - Vol. A785. - P. 117-122.

60) Geometric optimization of a neutron detector based on a lithium glass-polymer composite / M. Mayer [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2015. - Vol. A784. - P. 168-171.

61) Characterization of lithium-glass and polyvinyl toluene heterogeneous composites with varying geometries for fast neutron detection / A. Foster [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section -2018.-Vol.A905.-P. 29-32.

62) Dalton A.W. Light conversion efficiency of small lithium scintillators for electrons, protons, deuterons and alpha particles // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1987. - Vol. A254. - P. 361-366.

63) Fairley E.J. Neutron scintillating glasses part III pulse decay time measurements at room temperature / Fairley E.J., Spowart A.R. // Nuclear Instruments and Methods - 1978. - Vol. 150. - P.159-163.

64) Silicon detectors for monitoring neutron beams in n-TOF beamlines / L. Cosentino [et al.] // Review of Scientific Instruments - 2015. - Vol. 86. - P. 073509.

65) Li-6 Glass Scintillator: [Электронный ресурс] // Geebee International. URL:

https://www.geebeeinternational.com/products/scintillators/li-6-glass-scinti llator-specifications.html (Дата обращения 29.11.2023).

66) Knoll G. F. Radiation Detection and Measurement, 3th ed. / G. F. Knoll

- New York: John Wiley & Sons 2000. - P. 230-231.

67) Simulation study of the neutron-gamma discrimination capability of a liquid scintillator neutron detector / Xing Haoyang [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2014. - Vol. A768. -P. 1-8.

68) Characterization of a cubic EJ-309 liquid scintillator detector / A. Tomanin [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2014. - Vol. A756. - P. 45-54.

69) Kaschuck Y. Neutron/y-ray digital pulse shape discrimination with organic scintillators // Y. Kaschuck, B. Esposito //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2005. - Vol. A551. - P. 420-428.

70) Jensen G. L. Gamma-ray sensitivity of 6Li-glass scintillators / G. L. Jensen, J. B. Czirr // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research

- 1983.-Vol. 205.-P. 461-463.

71) Spowart A. R. Measurement of the Gamma Sensitivity of Granular and Glass Neutron Scintillators and Films // Nuclear Instruments and Methods

- 1970.-Vol. 82. - P.1-6.

72) Alternatives to 3He for Neutron Detection for Homeland Security / R. T. Kouzes [et al.] // Technical Report No. PNNL-18471. - Richland: PNNL, 2009.

73) Full Scale Coated Fiber Neutron Detector Measurements / T. Kouzes [et al.] // Technical Report No. PNNL19264. - Richland: PNNL, 2010.

74) Method and Apparatus for Detecting Neutrons // U.S. Patent №US5680423. 1997 / R. W. Perkins [et al.].

75) New idea of a small-sized neutron detector with a plastic fibre / T. Matsumoto [et al.] // Radiation Protection Dosimetry - 2011. - Vol. 146. -P. 92-95.

76) Gardiner S. J. Neutron Detection Using Shards Of 6Li Glass Scintillator: Bachelor of Science, BUY, Provo, 2012, p. 8-13.

77) Absolute calibration and monitoring of a spectrometric channel using a photomultiplier / E.H. Bellamy [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1994. - Vol. A339. - P. 468-476.

78) Test of long scintillation counters for supercollider detectors / E.H. Bellamy [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1994. - Vol. A334. - P. 484-488.

79) Чириков-Зорин И.Е. Развитие методики сцинтилляционных и газоразрядных трековых детекторов для физики высоких энергий: дис. ... канд. физ.-мат. наук. ОИЯИ. Дубна, 2014.

80) FSS-a novel RTOF-diffractometer optimized for residual stress investigations / J.Schroder [et al.] // Journal of Neutron Research - 1994 -Vol. 2.-№4.-P. 129-141.

81) Pulse shape analysis of liquid scintillators for neutron studies / S. Marrone [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2002. - Vol. A490. - P. 299-307.

82) Download Geant4-11.1.3: [Электронный ресурс] // Geant4. A Simulation Toolkit. URL: https://geant4.web.cern.ch/download/11. 1.3.html (Дата обращения 06.12.2023).

83) Geant4 - a simulation toolkit / S. Agostinelli [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2003. - Vol. A506. -P. 250-303.

84) Geant4 developments and applications / J. Allison [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science - 2006. - Vol. 53. - P. 270-278.

85) Recent developments in Geant4 / J. Allison [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2016. - Vol. A835. -P. 186-225.

86) Pebeo: [Электронный ресурс]. http://www.pebeo.com. (Дата обращения 29.11.2023).

87) Wacker: [Электронный ресурс]. http ://www.wacker. com. (Дата обращения 29.11.2023).

88) VDpromo: [Электронный ресурс]. https://vdpromo.ru. (Дата обращения 29.11.2023).

89) REC: [Электронный ресурс]. http://www.rec3d.ru (Дата обращения 29.11.2023).

90) Study of neutron response and n-y discrimination by charge comparison method for small liquid scintillation detector / J. Cerny [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 2004. - Vol. 527. -P. 512-518.

91) Wang, C. L. Improved neutron-gamma discrimination for a 6Li-glass neutron detector using digital signal analysis methods / C. L. Wang, R. A. Riedel // Review of Scientific Instruments - 2016. - Vol. 87. - P. 013301.

92) Evaluation of the Constant Fraction Time-Over-Threshold (CF-TOT) method for neutron-gamma pulse shape discrimination / A. Roy [et al.] // Journal of Instrumentation - 2022. - Vol. 17. - P05028.

93) Adams J.M. A versatile pulse shape discriminator for charged particle separation and its application to fast neutron time-of-flight spectroscopy / J.M. Adams, G. White // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section - 1978. - Vol. 156. - P. 459-476.