ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «Пропорциональный нейтронный счетчик» Руководитель к.ф.-м.н.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«Пропорциональный нейтронный счетчик»
Руководитель к.ф.-м.н.
Выродов Владимир Николаевич
Mail vyrodov2004@mail.ru
Тел
196 77 29, 196 77 63
Цель работы:
Ознакомить слушателей и дать практические знания о принципах работы
пропорционального нейтронного счетчика, электроники и первичной обработкой
спектра.
Задача данного описания:
Данное описание лабораторной работы ставит перед собой цель дать
представление слушателям о предстоящей работе и самостоятельно приобрести (из
литературы, интернета, лекций) необходимые первичные знания.
Принцип работы пропорционального нейтронного счетчика:
Принцип работы пропорционального нейтронного счетчика
предлагается
изучить самостоятельно. Для этого рекомендуется литература, а также приложение
расположенные в конце данного описания.
Описание детектора.
-
Детектор состоит из следующих основных компонентов
Экранизирующий от внешних электронаводок кожух
Собственно счетчик
Электронный тракт, содержащий низковольтное и высоковольтное питание,
предварительный усилитель сигналов, усилитель-инвертор импульсов
Амплитудный анализатор SBS-40 встроенный в персональный компьютер
Схематично детектор изображен на рисунке.
Измерения в лабораторной работе
В лабораторной работе будет необходимо:
1.
Провести измерение нейтронов, возникающих в лаборатории под действием
космических лучей
2.
На основе этих измерений определить положение пика захвата 765кэВ из
экзотермической реакции n+3He>3H+P+765кэВ
3.
Оформить измерения и результаты в письменном виде
Пропорциональный счётчик, газоразрядный прибор для регистрации ионизирующих излучении,
создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы, теряемой
в его объеме на ионизацию. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий П. с., создаёт на
своём пути пары ион — электрон, число которых зависит от энергии, терямой частицей в газе. При
полном торможении частицы в П. с. импульс пропорционален энергии частицы. Как и в
ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы — к
катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода П. с. поле столь велико, что электроны
приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого
первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на
аноде П. с., во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа
собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления
(в формировании импульса участвуют также и ионы). В П. с. обычно катодом служит цилиндр, а
анодом — тонкая (10—100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис.). Газовое
усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной
путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». П. с. заполняют инертными газами
(рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества
многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.
Типичные характеристики П. с.: коэффициент газового усиления ~ 103—104 (но может достигать 106
и больше); амплитуда импульса ~ 102 в при ёмкости П. с. около 20 пкф; развитие лавины происходит
за время ~ 109—108 сек, однако момент появления сигнала на выходе П. с. зависит от места
прохождения ионизующей частицы, т. е. от времени дрейфа электронов до нити. При радиусе ~ 1 см и
давлении ~ 1 атм время запаздывания сигнала относительно пролёта частицы ~ 106 сек. По
энергетическому разрешению П. с. превосходит сцинтилляционный счётчик, но уступает
полупроводниковому детектору. Однако П. с. позволяют работать в области энергий < 1 кэв, где
полупроводниковые детекторы неприменимы.
П. с. используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют П. с. для
регистрации -частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, гамма- и
рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, - и
рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются
регистрируемые П. с. вторичные заряженные частицы (см. Нейтронные детекторы). П. с. сыграл
важную роль в ядерной физике 30—40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой
практически единственным спектрометрическим детектором.
Второе рождение П. с. получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х гг. в виде
пропорциональной камеры, состоящей из большого числа (102—103) П. с., расположенных в одной
плоскости и в одном газовом объёме. Такое устройство позволяет не только измерять ионизацию
частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения. Типичные параметры
пропорциональных камер: расстояние между соседними анодными нитями ~ 1—2 мм, расстояние
между анодной и катодной плоскостями ~1 см; разрешающее время ~ 107 сек. Развитие
микроэлектроники и внедрение в экспериментальную технику ЭВМ позволили создать системы,
состоящие из десятков тыс. отдельных нитей, соединённых непосредственно с ЭВМ, которая
запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорциональной камеры. Т. о., она является
одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором.
В 70-х гг. появилась дрейфовая камера, в которой для измерения места пролёта частицы используется
дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных П. с. в
одной плоскости и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы
через камеру с высокой точностью (~ 0,1 мм) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в
пропорциональной камере. П. с. применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических
лучей, астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д. Например, с помощью
установленного на «Луноходе-1» П. с. по рентгеновской флюоресценции производился химический
элементный анализ вещества поверхности Луны.
Лит.: Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, М. — Л.,
1949; Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., М., 1963; Калашникова В.
И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, М., 1966 (Экспериментальные методы ядерной
физики, [ч. 1]).
В. С. Кафтанов, А. В. Стрелков.
Схема пропорционального счетчика : а — область дрейфа электронов; б — область газового усиления.
Нейтронные детекторы, приборы для регистрации нейтронов. Действие Н. д. основано на
регистрации вторичных частиц, образующихся в результате взаимодействия нейтронов с атомными
ядрами. Для регистрации медленных нейтронов используются ядерные реакции расщепления лёгких
ядер под действием нейтронов [10В (n, ) 7Li, 6Li (n, ) 3H и 3He (n, p)1H] с регистрацией -частиц и
протонов; деления тяжёлых ядер с регистрацией осколков деления (см. Ядра атомного деление);
радиационный захват нейтронов ядрами (n, ) с регистрацией -квантов, а также возбуждения
искусственной радиоактивности. Для регистрации -частиц, протонов и осколков деления
применяются ионизационные камеры и пропорциональные счётчики, которые заполняют
газообразным BF3 и др. газами, содержащими В или 3H, либо покрывают их стенки тонким слоем
твёрдых В, Li или делящихся веществ. Конструкция и размеры таких камер и счётчиков разнообразны.
Пропорциональные счётчики могут достигать 50 мм в диаметре и 2 м длины (СНМ-15). Наибольшей
эффективностью к тепловым нейтронам обладают Н. д., содержащие 10B или 3He. Для регистрации
медленных нейтронов используются также сцинтилляционные счётчики (на кристаллах Lil с
примесью Eu, на сцинтиллирующих литиевых стеклах, либо смеси борсодержащих веществ и
сцинтиллятора ZnS). Эффективность регистрации тепловых нейтронов в этом случае может достигать
40—60%. В Объединённом институте ядерных исследований создан сцинтилляционный Н. д., в
котором регистрируются акты радиационного захвата. Он предназначен для нейтронов с энергией до
10 кэв и имеет эффективность — 20—40%.
Эффективность регистрации быстрых нейтронов перечисленными детекторами в сотни раз меньше,
поэтому быстрые нейтроны предварительно замедляют в парафиновом блоке, окружающем Н. д. (см.
Замедление нейтронов). Специально подобранные форма и размеры блоков позволяют получить
практически постоянную эффективность регистрации нейтронов в диапазоне энергии от нескольких
кэв до 20 Мэв (всеволновой счётчик). При непосредственном детектировании нейтронов с энергиями ~
100 кэв обычно используется упругое рассеяние нейтронов в водороде или гелии или регистрируются
ядра отдачи. Так как энергия последних зависит от энергии нейтронов, то такие Н. д. позволяют
измерять энергетический спектр нейтронов. Сцинтилляционные Н. д. также могут регистрировать
быстрые нейтроны по протонам отдачи в органических и водородсодержащих жидких
сцинтилляторах. Некоторые тяжёлые ядра, например 238U и 232Th, делятся только под действием
быстрых нейтронов. Это позволяет создавать пороговые Н. д., служащие для регистрации быстрых
нейтронов на фоне тепловых.
Для регистрации продуктов ядерных реакций нейтронов с ядрами В и Li, протонов отдачи и осколков
деления используются также ядерные фотографические эмульсии. Этот метод особенно удобен в
дозиметрии, так как позволяет определить суммарное число нейтронов за время облучения. При
делении ядер энергия осколков столь велика, что они производят заметные механические разрушения.
На этом основан один из способов их обнаружения: осколки деления замедляются в стекле, которое
затем травится плавиковой кислотой; в результате следы осколков можно наблюдать под
микроскопом.
Возбуждение искусственной радиоактивности под действием нейтронов используется для
регистрации нейтронов, особенно при измерениях плотности потока нейтронов, так как число
распадов (активность) пропорционально потоку нейтронов, прошедшему через вещество (измерение
активности можно производить после прекращения облучения нейтронами). Существует большое
количество различных изотопов, применяемых в качестве радиоактивных индикаторов нейтронов
разных энергий E. В тепловой области энергий наибольшее распространение имеют 55Mn, 107Ag, 197Au:
для регистрации резонансных нейтронов применяют 55Mn (E = 300 эв), 59Co (E =100 эв), 103Rh, 115In (E
= 1,5 эв), 127I (E = 35 эв), 107Ag, 197Au (E = 5 эв). В области больших энергий используют пороговые
детекторы 12C (E = 20 Мэв), 32S (E = 0,9 Мэв) и 63Cu (E = 10 Мэв) (см. Нейтронная спектроскопия).
Лит.: Аллен В. Д., Регистрация нейтронов, пер. с англ., М., 1962; Власов Н. А., Нейтроны, 2 изд., М.,
1971.
Б. Г. Ерозолимский, Ю. А. Мостовой.