Обнаружение нейтронов — это эффективное обнаружение нейтронов , попадающих в удачно расположенный детектор . Есть два ключевых аспекта эффективного обнаружения нейтронов: аппаратное обеспечение и программное обеспечение. Аппаратное обеспечение обнаружения относится к типу используемого нейтронного детектора (наиболее распространенным сегодня является сцинтилляционный детектор ) и к электронике, используемой в установке обнаружения. Кроме того, аппаратная установка также определяет ключевые экспериментальные параметры, такие как расстояние источник-детектор, телесный угол и экранирование детектора. Программное обеспечение для обнаружения состоит из инструментов анализа, которые выполняют такие задачи, как графический анализ для измерения количества и энергии нейтронов, попадающих в детектор.
Атомные и субатомные частицы обнаруживаются по сигнатуре, которую они создают при взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействия являются результатом фундаментальных характеристик частиц.
В результате этих свойств обнаружение нейтронов делится на несколько основных категорий: [3]
Газовые пропорциональные детекторы можно адаптировать для обнаружения нейтронов. Хотя нейтроны обычно не вызывают ионизацию , добавление нуклида с высоким нейтронным сечением позволяет детектору реагировать на нейтроны. Обычно для этой цели используются нуклиды: гелий-3 , литий-6 , бор-10 и уран-235 . Поскольку эти материалы, скорее всего, вступят в реакцию с тепловыми нейтронами (т. е. с нейтронами, которые замедлились до равновесия с окружающей средой), их обычно окружают замедляющими материалами, чтобы уменьшить их энергию и повысить вероятность обнаружения.
Обычно необходимы дальнейшие уточнения, чтобы отличить нейтронный сигнал от воздействия других типов излучения. Поскольку энергия теплового нейтрона относительно невелика, реакции с заряженными частицами дискретны (т.е. по существу моноэнергетические и лежат в узком диапазоне энергий), в то время как другие реакции, такие как гамма-реакции, охватывают широкий диапазон энергий, можно различать источники.
Как класс, детекторы ионизации газа измеряют количество ( скорость счета ), а не энергию нейтронов.
Гелий-3 является эффективным материалом для детектора нейтронов, поскольку он реагирует, поглощая тепловые нейтроны, образуя ионы 1 H и 3 H. Его чувствительность к гамма-излучению незначительна, что делает его очень полезным детектором нейтронов. К сожалению, поставки 3 He ограничены производством в качестве побочного продукта распада трития (период полураспада которого составляет 12,3 года); тритий производится либо в рамках оружейных программ в качестве ракеты-носителя ядерного оружия, либо как побочный продукт работы реактора.
Поскольку элементарный бор не является газообразным, в нейтронных детекторах, содержащих бор, можно альтернативно использовать трифторид бора (BF 3 ), обогащенный до 96% бора-10 (природный бор содержит 20% 10 B, 80% 11 B). [5] Трифторид бора очень токсичен. Чувствительность этого детектора составляет около 35-40 имп/нв (отсчетов в секунду на поток нейтронов), тогда как чувствительность детектора с борной футеровкой составляет около 4 имп/нв. Это связано с тем, что в покрытом бором n реагирует с бором и, следовательно, образует ионные пары внутри слоя. Следовательно, возникающие заряженные частицы (Альфа и Ли) теряют часть своей энергии внутри этого слоя. Заряженные частицы низкой энергии не могут достичь газовой среды ионизационной камеры. Следовательно, количество ионизации, возникающей в газе, также меньше.
В то время как в газе BF3 N реагирует с B в газе. а полностью энергичные Альфа и Ли способны производить больше ионизации и давать больше импульсов.
С другой стороны, газонаполненные пропорциональные счетчики с борной футеровкой реагируют аналогично газонаполненным пропорциональным детекторам BF 3 , за исключением того, что стенки покрыты 10 B. В этой конструкции, поскольку реакция происходит на поверхности, только один из две частицы улетят в пропорциональный счетчик.
К сцинтилляционным детекторам нейтронов относятся жидкие органические сцинтилляторы, [6] кристаллы, [7] [8] пластики, стекло [9] и сцинтилляционные волокна. [10]
О сцинтилляционном стекле 6 Li для регистрации нейтронов впервые сообщалось в научной литературе в 1957 году [11] , а основные достижения были достигнуты в 1960-х и 1970-х годах. [12] [13] Сцинтилляционное волокно было продемонстрировано Аткинсоном М. и соавт. в 1987 году [14] , а основные успехи были достигнуты в конце 1980-х и начале 1990-х годов в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, где она была разработана как засекреченная технология. [15] [16] [17] [18] [19] Он был рассекречен в 1994 году и впервые получил лицензию Oxford Instruments в 1997 году, а затем был передан Nucsafe в 1999 году. [20] [21] [22] Волокно и волоконные детекторы в настоящее время производятся и коммерчески продаются компанией Nucsafe, Inc. [23]
Сцинтилляционные стеклянные волокна работают за счет включения 6 Li и Ce 3+ в объемный состав стекла. 6 Li имеет высокое сечение поглощения тепловых нейтронов в результате реакции 6 Li ( n,α). Поглощение нейтронов приводит к образованию иона трития, альфа-частицы и кинетической энергии. Альфа-частица и тритон взаимодействуют со стеклянной матрицей, вызывая ионизацию, которая передает энергию ионам Ce 3+ и приводит к излучению фотонов с длиной волны 390–600 нм, когда ионы Ce 3+ из возбужденного состояния возвращаются в основное состояние. В результате этого события возникает вспышка света в несколько тысяч фотонов на каждый поглощенный нейтрон. Часть сцинтилляционного света распространяется по стекловолокну, которое действует как волновод. Концы волокон оптически соединены с парой фотоумножителей (ФЭУ) для обнаружения всплесков фотонов. Детекторы можно использовать для обнаружения как нейтронов, так и гамма-лучей, которые обычно различаются с помощью дискриминации по высоте импульса. Были предприняты значительные усилия и достигнут прогресс в снижении чувствительности волоконных детекторов к гамма-излучению. Оригинальные детекторы страдали от ложных нейтронов в гамма-поле 0,02 мР. Усовершенствования конструкции, процесса и алгоритма теперь позволяют работать в гамма-полях до 20 мР/ч ( 60 Co).
Сцинтилляционные волоконные детекторы обладают превосходной чувствительностью, прочностью и быстрым синхронизацией (~60 нс), что обеспечивает большой динамический диапазон скорости счета. Детекторы имеют то преимущество, что им можно придать любую желаемую форму и сделать их очень большими или очень маленькими для использования в различных приложениях. [24] Кроме того, они не полагаются на 3 He или любое сырье, доступность которого ограничена, а также не содержат токсичных или регулируемых материалов. Их характеристики соответствуют или превосходят характеристики трубок с 3 He по общему подсчету нейтронов из-за более высокой плотности частиц, поглощающих нейтроны, в твердом стекле по сравнению с газообразным 3 He под высоким давлением. [24] Несмотря на то, что сечение тепловых нейтронов 6 Li невелико по сравнению с 3 He (940 барн против 5330 барн), плотность атомов 6 Li в волокне в пятьдесят раз выше, что дает преимущество в эффективной плотности захвата. соотношение примерно 10:1.
LiCaAlF 6 представляет собой чувствительный к нейтронам неорганический сцинтилляционный кристалл, который, как и нейтронно-чувствительные сцинтилляционные детекторы из стекловолокна, использует захват нейтронов 6 Li. Однако в отличие от сцинтилляционных детекторов из стекловолокна 6 Li является частью кристаллической структуры сцинтиллятора, что обеспечивает ему естественно высокую плотность 6 Li. Для придания кристаллу сцинтилляционных свойств добавляется легирующий агент. Двумя распространенными легирующими агентами являются трехвалентный церий и двухвалентный европий. LiCaAlF 6, легированный европием , имеет преимущество перед другими материалами: количество оптических фотонов, образующихся за один захват нейтрона, составляет около 30 000, что в 5 раз выше, чем, например, в нейтронно-чувствительных сцинтилляционных стеклянных волокнах. [25] Это свойство облегчает распознавание нейтронных фотонов. Благодаря высокой плотности 6 Li этот материал пригоден для изготовления легких компактных детекторов нейтронов, в результате чего LiCaAlF 6 использовался для обнаружения нейтронов на больших высотах при полетах на воздушных шарах. [26] Длительное время затухания LiCaAlF 6 , легированного Eu 2+ , делает его менее подходящим для измерений в условиях высокой радиации. Вариант, легированный Ce 3+ , имеет более короткое время затухания, но страдает от более низкого световыхода. [27]
Кристалл йодида натрия, легированный таллием и литием [NaI(Tl+Li)], также известный как NaIL, обладает способностью обнаруживать гамма-излучение и тепловые нейтроны в одном кристалле с исключительной дискриминацией по форме импульса. Использование низких концентраций 6 Li в NaIL и большая толщина может обеспечить те же возможности обнаружения нейтронов, что и детекторы 3He, CLYC или CLLB, при меньших затратах. Совместное легирование 6 Li (с обогащением 95%) обеспечивает эффективное обнаружение тепловых нейтронов в наиболее известных сцинтилляторах гамма-излучения, сохраняя при этом благоприятные сцинтилляционные свойства стандартного NaI(Tl). NaIL может обеспечить большие объемы детекторов из одного материала как для гамма-излучения, так и для нейтронов по низкой цене за объем. [28] [29] [30]
Существует два основных типа полупроводниковых детекторов нейтронов: первый представляет собой электронные устройства, покрытые нейтронно-реактивным материалом, а второй представляет собой полупроводник, частично состоящий из нейтронно-реактивного материала. [31] Наиболее успешной из этих конфигураций является тип устройства с покрытием, примером может служить обычный планарный кремниевый диод, покрытый либо 10 B, либо 6 LiF. [32] [33] Этот тип детектора был впервые предложен Бэбкоком и др. [34] Идея проста. Нейтрон поглощается реактивной пленкой и самопроизвольно испускает энергичные продукты реакции. Продукт реакции может достигать поверхности полупроводника и при попадании в полупроводник образует электронно-дырочные пары. Под действием напряжения обратного смещения эти электроны и дырки дрейфуют через диод, создавая индуцированный ток, обычно интегрируемый в импульсном режиме для формирования выходного напряжения. Максимальная собственная эффективность устройств с однослойным покрытием составляет примерно 5% для тепловых нейтронов (0,0259 эВ), а конструкция и работа подробно описаны в литературе. [35] Ограничение эффективности регистрации нейтронов является следствием самопоглощения продуктов реакции. Например, в пленке бора пробег α-частиц с энергией 1,47 МэВ из реакции 10 B(n,α) 7 Li составляет примерно 4,5 микрона, а в LiF пробег тритонов с энергией 2,7 МэВ из реакции 10 B(n,α) 7 Реакция Li составляет примерно 28 микрон. Продукты реакции, возникающие на расстояниях дальше от границы раздела пленка/полупроводник, не могут достичь поверхности полупроводника и, следовательно, не будут способствовать регистрации нейтронов. Устройства, покрытые природным Gd, также исследовались, главным образом из-за его большого микроскопического сечения тепловых нейтронов, составляющего 49 000 барнов. [36] [37] Однако представляющие интерес продукты реакции Gd(n,γ) представляют собой в основном конверсионные электроны с низкой энергией, в основном сгруппированные около 70 кэВ. Следовательно, различие между событиями, индуцированными нейтронами, и событиями гамма-излучения (в основном производящими комптоновские рассеянные электроны) затруднено для полупроводниковых диодов с Gd-покрытием. Компенсированный пиксельный дизайн призван решить проблему. [38] В целом, устройства, покрытые либо 10 B, либо 6 LiF, являются предпочтительными главным образом потому, что продукты реакции с энергичными заряженными частицами гораздо легче отличить от фонового излучения.
Низкая эффективность покрытых планарных диодов привела к разработке микроструктурированных полупроводниковых детекторов нейтронов (МСНД). Эти детекторы имеют микроскопические структуры, выгравированные на полупроводниковой подложке, из которых впоследствии формируются штыревые диоды. Микроструктуры заполнены нейтронно-реактивным материалом, обычно 6 LiF, хотя использовался и 10 B. Увеличение площади поверхности полупроводника, прилегающей к реакционноспособному материалу, и повышенная вероятность попадания продукта реакции в полупроводник значительно повышают эффективность обнаружения собственных нейтронов. [39]
Конфигурация устройства MSND была впервые предложена Муминовым и Цвангом [41] , а затем Шелтеном и др. [42] Спустя годы был изготовлен и продемонстрирован первый рабочий пример MSND [43] , [44], который тогда имел эффективность обнаружения тепловых нейтронов только 3,3%. С момента этой первоначальной работы MSND достигли эффективности обнаружения тепловых нейтронов более 30%. [45] Хотя MSND могут работать от встроенного потенциала (нулевое приложенное напряжение), они работают лучше всего при подаче 2–3 В. Сейчас над вариантами MSND работают несколько групп. [46] [47] Наиболее успешными типами являются разновидности с засыпкой материалом 6 LiF. MSND в настоящее время производятся и коммерчески продаются компанией Radiation Detection Technologies, Inc. [48]. Сообщается, что усовершенствованные экспериментальные версии двусторонних MSND с противоположными микроструктурами на обеих сторонах полупроводниковой пластины имеют эффективность обнаружения тепловых нейтронов более 65%, [49] и теоретически способны обеспечить эффективность более 70%.
Полупроводниковые детекторы, в которых один или несколько составляющих атомов являются нейтронно-реактивными, называются объемными полупроводниковыми детекторами нейтронов. Объемные твердотельные детекторы нейтронов можно разделить на две основные категории: те, которые основаны на обнаружении продуктов реакции заряженных частиц, и те, которые основаны на обнаружении гамма-лучей мгновенного захвата. В общем, детектор нейтронов такого типа сложно изготовить надежно, и в настоящее время он коммерчески недоступен.
Объемные материалы, основанные на эмиссии заряженных частиц, основаны на бор- и литийсодержащих полупроводниках. В поисках объемных полупроводниковых детекторов нейтронов материалы на основе бора, такие как BP, BAs, BN и B 4 C, исследовались больше, чем другие потенциальные материалы. [50] [51] [52] [53] [54] [55]
Полупроводники на основе бора в кубической форме трудно выращивать в виде объемных кристаллов, главным образом потому, что для их синтеза требуются высокие температуры и высокое давление. BP и Bas могут разлагаться на нежелательные кристаллические структуры (от кубической до икосаэдрической формы), если они не синтезированы под высоким давлением. B 4 C также образует икосаэдрические единицы в ромбоэдрической кристаллической структуре, что является нежелательным преобразованием, поскольку икосаэдрическая структура имеет относительно плохие свойства сбора заряда [56] , что делает эти икосаэдрические формы непригодными для обнаружения нейтронов.
BN может образовываться в виде простых гексагональных, кубических (цинковая обманка) кристаллов или кристаллов вюрцита, в зависимости от температуры роста, и обычно его выращивают методами тонких пленок. Это простая гексагональная форма BN, наиболее изученная в качестве детектора нейтронов. Методы химического осаждения тонких пленок из паровой фазы обычно используются для получения BP, BA, BN или B 4 C. Эти пленки на основе бора часто выращиваются на подложках Si n-типа, которые могут образовывать pn-переход с Si и, следовательно, изготовьте кремниевый диод с покрытием, как описано в начале этого раздела. Следовательно, нейтронный отклик устройства можно легко принять за объемный отклик, хотя на самом деле это отклик покрытого диода. На сегодняшний день имеется мало свидетельств того, что полупроводники на основе бора производят собственные нейтронные сигналы.
Литий-содержащие полупроводники, относящиеся к соединениям Новотного-Юзы, также исследовались в качестве объемных детекторов нейтронов. Соединение Новотного-Юзы LiZnAs было продемонстрировано в качестве детектора нейтронов; Однако в [57] этот материал сложен и дорог в синтезе, и сообщалось только о небольших полупроводниковых кристаллах. Наконец, были исследованы традиционные полупроводниковые материалы с нейтронно-реактивными примесями, а именно Si(Li)-детекторы. Нейтроны взаимодействуют с примесью лития в материале и производят энергичные продукты реакции. Однако концентрация легирующей примеси относительно низкая в кремниевых детекторах с дрейфом лития (или других легированных полупроводниках), обычно менее 10 19 см -3 . При вырожденной концентрации Li порядка 10 19 см -3 блок природного Si(Li) толщиной 5 см будет иметь эффективность регистрации тепловых нейтронов менее 1%, тогда как блок толщиной 5 см из Si(Li) будет иметь эффективность регистрации тепловых нейтронов менее 1%. Детектор ( 6 Li) будет иметь эффективность регистрации тепловых нейтронов всего 4,6%.
В качестве детекторов нейтронов успешно используются полупроводники, испускающие мгновенное гамма-излучение, такие как CdTe [58] [59] и HgI 2 [60] [61] . Эти детекторы основаны на мгновенном гамма-излучении в результате реакции 113 Cd(n, γ) 114 Cd (с образованием гамма-лучей 558,6 кэВ и 651,3 кэВ) и реакции 199 Hg(n, γ) 200 Hg (с образованием 368,1 кэВ и 661,1 кэВ). кэВ гамма-лучи). Однако эти полупроводниковые материалы предназначены для использования в качестве спектрометров гамма-излучения и, следовательно, по своей природе чувствительны к фону гамма-излучения. При адекватном энергетическом разрешении можно использовать распознавание высоты импульса для отделения мгновенного гамма-излучения от нейтронных взаимодействий. Однако эффективная эффективность регистрации нейтронов снижается из-за относительно небольшого коэффициента Комптона. Другими словами, большинство событий добавляются к комптоновскому континууму, а не к пику полной энергии, что затрудняет различение нейтронов и фоновых гамма-лучей. Кроме того, как природный Cd, так и Hg имеют относительно большие сечения тепловых нейтронов (n,γ) - 2444 b и 369,8 b соответственно. Следовательно, большинство тепловых нейтронов поглощаются вблизи поверхности детектора, так что почти половина мгновенных гамма-лучей испускается в направлениях от объема детектора и, таким образом, приводит к плохой реабсорбции гамма-лучей или эффективности взаимодействия.
Активационные образцы можно поместить в нейтронное поле, чтобы охарактеризовать энергетический спектр и интенсивность нейтронов. Можно использовать реакции активации с разными энергетическими порогами, включая 56 Fe(n,p) 56 Mn, 27 Al(n,α) 24 Na, 93 Nb(n,2n) 92m Nb и 28 Si(n,p) 28 Ал. [62]
Быстрые нейтроны часто обнаруживаются путем предварительного замедления (замедления) их до тепловой энергии. Однако в ходе этого процесса теряется информация об исходной энергии нейтрона, направлении его движения и времени испускания. Для многих приложений весьма желательно обнаружение «быстрых» нейтронов, сохраняющих эту информацию. [63]
Типичными детекторами быстрых нейтронов являются жидкие сцинтилляторы, [64] детекторы благородных газов на основе 4-He [65] и пластиковые детекторы. Детекторы быстрых нейтронов отличаются друг от друга 1.) способностью различать нейтроны и гамма-излучения (посредством распознавания формы импульса) и 2.) чувствительностью. Способность различать нейтроны и гамма-излучения превосходна в детекторах на основе благородного газа 4-He благодаря их низкой плотности электронов и превосходным свойствам распознавания формы импульса. Фактически, было показано, что неорганические сцинтилляторы, такие как сульфид цинка, демонстрируют большие различия во времени распада протонов и электронов; эта особенность была использована путем объединения неорганического кристалла с преобразователем нейтронов (таким как полиметилметакрилат) в микрослоистом детекторе быстрых нейтронов. [66] Такие системы обнаружения способны избирательно обнаруживать только быстрые нейтроны в смешанном поле нейтронов и гамма-излучения, не требуя каких-либо дополнительных методов дискриминации, таких как распознавание формы импульса. [67]
Обнаружение быстрых нейтронов ставит ряд особых задач. Был разработан направленный детектор быстрых нейтронов, использующий множественную отдачу протонов в отдельных плоскостях пластикового сцинтилляционного материала. Записываются траектории ядер отдачи, созданных при столкновении нейтронов; определение энергии и импульса двух ядер отдачи позволяет рассчитать направление движения и энергию нейтрона, испытавшего упругое рассеяние на них. [68]
Обнаружение нейтронов используется для различных целей. Каждое приложение предъявляет разные требования к системе обнаружения.
Эксперименты, в которых используется эта наука, включают эксперименты по рассеянию, в которых необходимо обнаружить нейтроны, направленные, а затем рассеянные от образца. Установки включают источник нейтронов ISIS в Лаборатории Резерфорда Эпплтона , Источник нейтронов расщепления в Национальной лаборатории Ок-Ридж и Источник нейтронов расщепления (SINQ) в Институте Пола Шеррера , в котором нейтроны производятся в результате реакции расщепления, а также традиционный источник нейтронов расщепления (SINQ) в Институте Пола Шеррера. исследовательские реакторные установки, в которых нейтроны образуются при делении изотопов урана. Среди различных экспериментов по обнаружению нейтронов следует отметить фирменный эксперимент Европейского мюонного сотрудничества , впервые проведенный в ЦЕРН и теперь получивший название «эксперимент ЭМС». Тот же эксперимент проводится сегодня с использованием более сложного оборудования, чтобы получить более точные результаты, связанные с первоначальным эффектом ЭМС .
Обнаружение нейтронов в экспериментальной среде — непростая наука. Основные проблемы, с которыми сталкивается современное обнаружение нейтронов, включают фоновый шум , высокую скорость обнаружения, нейтральность нейтронов и низкую энергию нейтронов.
Основными компонентами фонового шума при обнаружении нейтронов являются фотоны высокой энергии , которые нелегко устранить физическими барьерами. Другие источники шума, такие как альфа- и бета-частицы , можно устранить с помощью различных экранирующих материалов, таких как свинец , пластик, термоуголь и т. д. Таким образом, фотоны вызывают серьезные помехи при обнаружении нейтронов, поскольку неясно, являются ли нейтроны или Фотоны регистрируются детектором нейтронов. Оба регистрируют схожие энергии после рассеяния в детекторе от мишени или окружающего света, и поэтому их трудно различить. Обнаружение совпадений также можно использовать для отделения реальных нейтронных событий от фотонов и другого излучения.
Если детектор находится в зоне высокой активности луча, на него постоянно воздействуют нейтроны и фоновый шум с чрезвычайно высокой скоростью. Это запутывает собранные данные, поскольку измерения сильно перекрываются, и отдельные события нелегко отличить друг от друга. Таким образом, часть проблемы заключается в том, чтобы поддерживать как можно более низкие показатели обнаружения и разрабатывать детектор, который сможет справляться с высокими показателями и получать последовательные данные.
Нейтроны нейтральны и поэтому не реагируют на электрические поля. Это затрудняет направление их курса на детектор для облегчения обнаружения. Нейтроны также не ионизируют атомы, кроме как путем прямого столкновения, поэтому детекторы газовой ионизации неэффективны.
Детекторы, основанные на поглощении нейтронов, обычно более чувствительны к тепловым нейтронам низкой энергии и на несколько порядков менее чувствительны к нейтронам высокой энергии. Сцинтилляционные детекторы , с другой стороны, не могут зарегистрировать воздействие нейтронов низкой энергии.
На рис. 1 показаны типовые основные компоненты установки блока детектирования нейтронов. В принципе, на диаграмме показана установка, такая же, как в любой современной лаборатории физики элементарных частиц , но особенности описывают установку в лаборатории Джефферсона ( Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния ).
В этой установке входящие частицы, состоящие из нейтронов и фотонов, попадают в детектор нейтронов; Обычно это сцинтилляционный детектор, состоящий из сцинтилляционного материала , волновода и фотоумножителя (ФЭУ), который подключается к системе сбора данных (DAQ) для регистрации деталей обнаружения.
Сигнал обнаружения от детектора нейтронов подключается к блоку скалера, блоку стробируемой задержки, блоку триггера и осциллографу . Блок масштабирования используется просто для подсчета количества входящих частиц или событий. Он делает это, увеличивая количество частиц каждый раз, когда обнаруживает всплеск сигнала детектора от нулевой точки. В этом блоке очень мало мертвого времени , а это означает, что независимо от того, насколько быстро приходят частицы, очень маловероятно, что этот блок не сможет подсчитать событие (например, прилетевшую частицу). Низкое мертвое время обусловлено сложной электроникой в этом устройстве, которой требуется мало времени для восстановления после относительно простой задачи регистрации логического высокого уровня каждый раз, когда происходит событие. Триггерный блок координирует работу всей электроники системы и подает на эти блоки логический сигнал, когда вся установка готова к регистрации события.
Осциллограф регистрирует импульс тока при каждом событии. Импульс — это просто ток ионизации в детекторе, вызванный этим событием, построенный в зависимости от времени. Полную энергию падающей частицы можно найти путем интегрирования этого импульса тока по времени, чтобы получить общий заряд, осажденный в конце ФЭУ. Эта интеграция осуществляется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Общий накопленный заряд является прямой мерой энергии ионизирующей частицы (нейтрона или фотона), попадающей в детектор нейтронов. Этот метод интеграции сигнала является признанным методом измерения ионизации в детекторе в ядерной физике. [72] У АЦП более высокое время простоя, чем у осциллографа, который имеет ограниченную память и требует быстрой передачи событий в АЦП. Таким образом, АЦП извлекает для анализа примерно одно из каждых 30 событий осциллографа. Поскольку типичная частота событий составляет около 10 6 нейтронов в секунду, [73] эта выборка все равно будет накапливать тысячи событий каждую секунду.
АЦП отправляет свои данные в блок сбора данных, который сортирует данные в презентабельной форме для анализа. Ключ к дальнейшему анализу лежит в различии формы импульса фотонного ионизационного тока и формы нейтрона. Фотонный импульс длиннее на концах (или «хвостах»), тогда как нейтронный импульс хорошо центрирован. [73] Этот факт можно использовать для идентификации входящих нейтронов и подсчета общей скорости входящих нейтронов. Шаги, ведущие к такому разделению (те, которые обычно выполняются в ведущих национальных лабораториях, в частности в лаборатории Джефферсона), включают в себя выделение стробируемых импульсов и построение графика разностей.
Все сигналы тока ионизации представляют собой импульсы с локальным пиком между ними. Используя логический вентиль И в непрерывном времени (имея поток импульсов «1» и «0» в качестве одного входа и сигнал тока в качестве другого), извлекается хвостовая часть каждого импульсного сигнала тока. Этот метод закрытой дискриминации регулярно используется в жидких сцинтилляторах. [74] Стробируемый блок задержки предназначен именно для этой цели и создает задержанную копию исходного сигнала таким образом, что его хвостовая часть видна рядом с основной частью на экране осциллографа.
После извлечения хвоста выполняется обычное интегрирование тока как для хвостовой части, так и для всего сигнала. Это дает два значения ионизации для каждого события, которые сохраняются в таблице событий в системе сбора данных.
На этом этапе лежит решающий момент анализа: полученные значения ионизации отображаются на графике. В частности, на графике изображена зависимость энерговыделения в хвосте от энерговыделения во всем сигнале для диапазона энергий нейтронов. Обычно для данной энергии существует множество событий с одинаковым значением энергии хвоста. В этом случае нанесенные точки просто становятся более плотными за счет большего количества перекрывающихся точек на двумерном графике, и, таким образом, их можно использовать для определения количества событий, соответствующих каждому выделению энергии. На графике нанесена значительная случайная доля (1/30) всех событий.
Если размер извлеченного хвоста представляет собой фиксированную долю общего импульса, то на графике будут две линии с разными наклонами. Линия с большим наклоном будет соответствовать фотонным событиям, а линия с меньшим наклоном — нейтронным событиям. Это происходит именно потому, что ток выделения энергии фотонов, построенный в зависимости от времени, оставляет более длинный «хвост», чем график выделения нейтронов, что дает фотонному хвосту большую долю общей энергии, чем нейтронным хвостам.
Эффективность любого анализа обнаружения можно оценить по его способности точно подсчитывать и разделять количество нейтронов и фотонов, попадающих в детектор. Кроме того, эффективность второго и третьего шагов показывает, можно ли управлять частотой событий в эксперименте. Если на вышеуказанных этапах можно получить четкие графики, позволяющие легко разделить нейтроны и фотоны, обнаружение можно назвать эффективным, а скорость - управляемой. С другой стороны, размазывание и неразличимость точек данных не позволят легко разделить события.
Уровень обнаружения можно поддерживать на низком уровне разными способами. Выборку событий можно использовать для выбора только нескольких событий для анализа. Если скорости настолько высоки, что одно событие невозможно отличить от другого, физическими экспериментальными параметрами (экранированием, расстоянием от детектора до цели, телесным углом и т. д.) можно манипулировать, чтобы получить минимально возможные скорости и, следовательно, различимые события.
Здесь важно соблюдать именно те переменные, которые имеют значение, поскольку на этом пути могут возникнуть ложные индикаторы. Например, токи ионизации могут иметь периодические сильные всплески, которые подразумевают не высокие скорости, а просто высокие энерговыделения для случайных событий. Эти всплески будут сведены в таблицы и рассматриваться с цинизмом, если они неоправданны, особенно с учетом того, что в установке очень много фонового шума.
Можно задаться вопросом, как экспериментаторы могут быть уверены, что каждый импульс тока в осциллографе соответствует ровно одному событию. Это действительно так, поскольку длительность импульса составляет около 50 нс , что позволяет получить максимум2 × 10 7 событий каждую секунду. Это число значительно превышает реальную типовую ставку, которая, как уже говорилось выше, обычно на порядок меньше. [73] Это означает, что крайне маловероятно, чтобы две частицы генерировали один импульс тока. Импульсы тока длятся по 50 нс каждый и начинают регистрировать следующее событие после перерыва от предыдущего события.
Хотя обнаружение нейтронов иногда облегчается за счет более высоких энергий приходящих нейтронов, в целом это трудная задача по всем причинам, изложенным ранее. Таким образом, улучшение конструкции сцинтилляторов также находится на переднем плане и является темой поисков с момента изобретения сцинтилляционных детекторов. Сцинтилляционные детекторы были изобретены Круксом в 1903 году, но не были очень эффективны до тех пор, пока Карран и Бейкер не разработали ФЭУ (фотоумножитель) в 1944 году. [72] ФЭУ представляет собой надежный и эффективный метод обнаружения, поскольку он может умножать первоначальный сигнал одиночный сцинтилляционный фотон, миллионы раз попадающий на поверхность ФЭУ, превращается в измеримый электрический импульс. Несмотря на это, конструкция сцинтилляционного детектора имеет возможности для совершенствования, как и другие варианты обнаружения нейтронов, помимо сцинтилляции.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)