Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора

Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора

Разработана блок-схема и выполнено макетирование малогабаритной двухканальной спектрометрической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов. Спектрометрическая система создается на основе кремниевых планарных неохлаждаемых детекторов и конвертора из металлического гадолиния. Разработ...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2018
Main Authors: Васильев, Г.П., Деев, А.С., Дубина, В.Н., Киприч, С.К., Каплий, А.А., Маслов, Н.И., Овчинник, В.Д., Потин, С.М., Sharyy, V., Шулика, М.Ю., Яловенко, В.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2018
Subjects:
Детекторы и детектирование ядерных излучений
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147300
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора / Г.П. Васильев, А.С. Деев, В.Н. Дубина, С.К. Киприч, А.А. Каплий, Н.И. Маслов, В.Д. Овчинник, С.М. Потин, V. Sharyy, М.Ю. Шулика, В.И. Яловенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 111-117. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147300
record_format dspace
spelling Васильев, Г.П.
Деев, А.С.
Дубина, В.Н.
Киприч, С.К.
Каплий, А.А.
Маслов, Н.И.
Овчинник, В.Д.
Потин, С.М.
Sharyy, V.
Шулика, М.Ю.
Яловенко, В.И.
2019-02-14T07:51:35Z
2019-02-14T07:51:35Z
2018
Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора / Г.П. Васильев, А.С. Деев, В.Н. Дубина, С.К. Киприч, А.А. Каплий, Н.И. Маслов, В.Д. Овчинник, С.М. Потин, V. Sharyy, М.Ю. Шулика, В.И. Яловенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 111-117. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147300
539.1.074.5: 620.179.152
Разработана блок-схема и выполнено макетирование малогабаритной двухканальной спектрометрической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов. Спектрометрическая система создается на основе кремниевых планарных неохлаждаемых детекторов и конвертора из металлического гадолиния. Разработана методика измерения плотности потока (флюенса) тепловых нейтронов для применения в ядерной физике и ядерной медицине. Двухдетекторная спектрометрическая система на основе планарных Siдетекторов и Gd-конвертора позволяет выполнять регистрацию тепловых нейтронов по выходу конверсионных электронов с возможностью учета фонового излучения. В экспериментах использовались источник быстрых нейтронов ²³⁹Pu-Be (α, n) и парафиновый замедлитель
Розроблено блок-схему і виконано макетування малогабаритної двоканальної спектрометричної детектуючої системи для реєстрації теплових нейтронів. Спектрометрична система створюється на основі кремнієвих планарних неохолоджуваних детекторів і конвертора з металевого гадолінію. Розроблено методику вимірювання щільності потоку (флюенсу) теплових нейтронів для застосування в ядерній фізиці та ядерній медицині. Дводетекторна спектрометрична система на основі планарних Si-детекторів і Gd-конвертора дозволяє виконувати реєстрацію теплових нейтронів по виходу конверсійних електронів з можливістю обліку фонового випромінювання. В експериментах використовувались джерело швидких нейтронів ²³⁹Pu-Be (α, n) і парафіновий сповільнювач.
A block diagram was developed and a working model of a small-sized two-channel spectrometric detection system was produced for thermal neutrons registration. The spectrometric system is created on the basis of silicon planar uncooled detectors and a converter made of metallic gadolinium. A technique has been developed for measuring the flux density (fluence) of thermal neutrons for use in nuclear physics and nuclear medicine. A two-detector spectrometric system based on planar Si detectors and Gd converter allows thermal neutrons registration using the conversion electrons output with the possibility of background radiation accounting. The fast neutron source ²³⁹Pu-Be (α, n) and the paraffin moderator were used in the experiments.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Детекторы и детектирование ядерных излучений
Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
Методика реєстрації теплових нейтронів двоканальною спектрометричною системою на основі неохолоджуваних si-детекторів і гадолінієвого конвертора
Тechnique of thermal neutrons registration by two-channel spectrometric system based on uncooled Si-detectors and gadolinium converter
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
spellingShingle Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
Васильев, Г.П.
Деев, А.С.
Дубина, В.Н.
Киприч, С.К.
Каплий, А.А.
Маслов, Н.И.
Овчинник, В.Д.
Потин, С.М.
Sharyy, V.
Шулика, М.Ю.
Яловенко, В.И.
Детекторы и детектирование ядерных излучений
title_short Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
title_full Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
title_fullStr Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
title_full_unstemmed Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора
title_sort методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых si-детекторов и гадолиниевого конвертора
author Васильев, Г.П.
Деев, А.С.
Дубина, В.Н.
Киприч, С.К.
Каплий, А.А.
Маслов, Н.И.
Овчинник, В.Д.
Потин, С.М.
Sharyy, V.
Шулика, М.Ю.
Яловенко, В.И.
author_facet Васильев, Г.П.
Деев, А.С.
Дубина, В.Н.
Киприч, С.К.
Каплий, А.А.
Маслов, Н.И.
Овчинник, В.Д.
Потин, С.М.
Sharyy, V.
Шулика, М.Ю.
Яловенко, В.И.
topic Детекторы и детектирование ядерных излучений
topic_facet Детекторы и детектирование ядерных излучений
publishDate 2018
language Russian
container_title Вопросы атомной науки и техники
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format Article
title_alt Методика реєстрації теплових нейтронів двоканальною спектрометричною системою на основі неохолоджуваних si-детекторів і гадолінієвого конвертора
Тechnique of thermal neutrons registration by two-channel spectrometric system based on uncooled Si-detectors and gadolinium converter
description Разработана блок-схема и выполнено макетирование малогабаритной двухканальной спектрометрической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов. Спектрометрическая система создается на основе кремниевых планарных неохлаждаемых детекторов и конвертора из металлического гадолиния. Разработана методика измерения плотности потока (флюенса) тепловых нейтронов для применения в ядерной физике и ядерной медицине. Двухдетекторная спектрометрическая система на основе планарных Siдетекторов и Gd-конвертора позволяет выполнять регистрацию тепловых нейтронов по выходу конверсионных электронов с возможностью учета фонового излучения. В экспериментах использовались источник быстрых нейтронов ²³⁹Pu-Be (α, n) и парафиновый замедлитель Розроблено блок-схему і виконано макетування малогабаритної двоканальної спектрометричної детектуючої системи для реєстрації теплових нейтронів. Спектрометрична система створюється на основі кремнієвих планарних неохолоджуваних детекторів і конвертора з металевого гадолінію. Розроблено методику вимірювання щільності потоку (флюенсу) теплових нейтронів для застосування в ядерній фізиці та ядерній медицині. Дводетекторна спектрометрична система на основі планарних Si-детекторів і Gd-конвертора дозволяє виконувати реєстрацію теплових нейтронів по виходу конверсійних електронів з можливістю обліку фонового випромінювання. В експериментах використовувались джерело швидких нейтронів ²³⁹Pu-Be (α, n) і парафіновий сповільнювач. A block diagram was developed and a working model of a small-sized two-channel spectrometric detection system was produced for thermal neutrons registration. The spectrometric system is created on the basis of silicon planar uncooled detectors and a converter made of metallic gadolinium. A technique has been developed for measuring the flux density (fluence) of thermal neutrons for use in nuclear physics and nuclear medicine. A two-detector spectrometric system based on planar Si detectors and Gd converter allows thermal neutrons registration using the conversion electrons output with the possibility of background radiation accounting. The fast neutron source ²³⁹Pu-Be (α, n) and the paraffin moderator were used in the experiments.
issn 1562-6016
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147300
citation_txt Методика регистрации тепловых нейтронов двухканальной спектрометрической системой на основе неохлаждаемых Si-детекторов и гадолиниевого конвертора / Г.П. Васильев, А.С. Деев, В.Н. Дубина, С.К. Киприч, А.А. Каплий, Н.И. Маслов, В.Д. Овчинник, С.М. Потин, V. Sharyy, М.Ю. Шулика, В.И. Яловенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 111-117. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT vasilʹevgp metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT deevas metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT dubinavn metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT kipričsk metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT kapliiaa metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT maslovni metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT ovčinnikvd metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT potinsm metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT sharyyv metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT šulikamû metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT âlovenkovi metodikaregistraciiteplovyhneitronovdvuhkanalʹnoispektrometričeskoisistemoinaosnoveneohlaždaemyhsidetektorovigadolinievogokonvertora
AT vasilʹevgp metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT deevas metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT dubinavn metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT kipričsk metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT kapliiaa metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT maslovni metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT ovčinnikvd metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT potinsm metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT sharyyv metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT šulikamû metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT âlovenkovi metodikareêstracííteplovihneitronívdvokanalʹnoûspektrometričnoûsistemoûnaosnovíneoholodžuvanihsidetektorívígadolíníêvogokonvertora
AT vasilʹevgp techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT deevas techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT dubinavn techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT kipričsk techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT kapliiaa techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT maslovni techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT ovčinnikvd techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT potinsm techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT sharyyv techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT šulikamû techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
AT âlovenkovi techniqueofthermalneutronsregistrationbytwochannelspectrometricsystembasedonuncooledsidetectorsandgadoliniumconverter
first_indexed 2025-11-26T01:39:39Z
last_indexed 2025-11-26T01:39:39Z
_version_ 1850603471828418560
fulltext ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 111 DETECTORS AND NUCLEAR RADIATION DETECTION УДК 539.1.074.5: 620.179.152 МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ ДВУХКАНАЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ Si-ДЕТЕКТОРОВ И ГАДОЛИНИЕВОГО КОНВЕРТОРА Г.П. Васильев, А.С. Деев, В.Н. Дубина, С.К. Киприч, А.А. Каплий, Н.И. Маслов, В.Д. Овчинник, С.М. Потин, V. Sharyy 1 , М.Ю. Шулика, В.И. Яловенко Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина; 1 The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA), Saclay, France E-mail: nikolai.maslov@kipt.kharkov.ua Разработана блок-схема и выполнено макетирование малогабаритной двухканальной спектрометриче- ской детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов. Спектрометрическая система создается на основе кремниевых планарных неохлаждаемых детекторов и конвертора из металлического гадолиния. Разработана методика измерения плотности потока (флюенса) тепловых нейтронов для применения в ядер- ной физике и ядерной медицине. Двухдетекторная спектрометрическая система на основе планарных Si- детекторов и Gd-конвертора позволяет выполнять регистрацию тепловых нейтронов по выходу конверсион- ных электронов с возможностью учета фонового излучения. В экспериментах использовались источник быстрых нейтронов 239 Pu-Be (α, n) и парафиновый замедлитель. ВВЕДЕНИЕ Регистрация тепловых нейтронов спектрометри- ческой детектирующей системой на основе кремни- евых планарных неохлаждаемых детекторов (КПНД) и конвертора из металлического гадолиния предъяв- ляет особые требования к энергетическому разреше- нию детекторов, так как конверсионные электроны, образующиеся при захвате нейтронов гадолинием, имеют низкую энергию [1]. Для обеспечения высоких электрофизических ха- рактеристик и высокого энергетического разрешения при создании КПНД используется высокоомный кремний бестигельной зонной плавки, в основном, n- типа. КПНД изготавливаются на стабильно работаю- щих микроэлектронных предприятиях с использова- нием наработанных десятилетиями технологий изго- товления интегральной микроэлектроники [2]. Кремниевые планарные неохлаждаемые детекто- ры получили максимальное развитие при разработке и создании трековых систем суперколлайдерных экспериментов физики высоких энергий [3 - 7]. Де- тектирующие системы на базе КПНД обладают хо- рошим энергетическим разрешением при комнатной температуре, высокими пространственным и вре- менным разрешениями, высокой эффективностью регистрации низкоэнергетического рентгеновского излучения. При разработке многоканальных Si-детекторов [8] проектировались одноканальные КПНД в виде тестовых структур для измерения отдельных элек- трофизических характеристик детекторов. Однока- нальные КПНД могут иметь также самостоятельное применение в ядерно-физических исследованиях и прикладное применение в медицинской диагностике, системах неразрушающего контроля и системах кон- троля окружающей среды. В работе [1] с применением одноканального КПНД показана возможность создания герметизиро- ванного детекторного модуля для одновременной регистрации рентгеновского излучения и низкоэнер- гетических электронов, образующихся в металличе- ском гадолинии при захвате тепловых нейтронов. В настоящей работе представлена блок-схема двухканальной спектрометрической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов. В пер- вом канале спектрометрической системы детектиру- ющий модуль содержит только кремниевый детектор с размерами активной области 55 мм и толщиной 0,3 мм. Во втором канале детектирующий модуль содержит кремниевый детектор с металлическим Gd- конвертором. В работе описывается также методика определения плотности потока тепловых нейтронов с возможностью исключения фонового излучения. 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАНАРНЫХ ДЕТЕКТОРОВ На Рис. 1 представлена микрофотография одно- канального КПНД. Рис. 1. Микрофотография одноканального КПНД: 1  рабочая область детектора; 2  считывающий электрод; 3  защитное р + -кольцо mailto:nikolai.maslov@kipt.kharkov.ua ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 112 Одноканальный КПНД, представленный на ри- сунке, имеет сложную конструкцию. Основным ак- тивным дополнительным элементом одноканального КПНД является защитное р + -кольцо (3), выполнен- ное в виде самостоятельного кольцевого детектора. Р + -кольцо улучшает характеристики детектора, в том числе и энергетическое разрешение, так как закора- чивает на себя краевые токи детектора. Поверхность рабочей области детектора не металлизирована. Это уменьшает толщину мертвого слоя рабочей области КПНД. Для сбора заряда с рабочей области КПНД по её краю выполнено тонкое металлизированное кольцо (2). Р + -кольцо также ограничивает рабочую область детектора. Это важно для определения плотности потока частиц и будет рассмотрено в 3 разделе ста- тьи. На Рис. 2 показаны результаты измерений спек- тра γ-излучения изотопного источника 241 Am одно- канальным неохлаждаемым Si-детектором с разме- рами рабочей области 22 мм и толщиной 0,3 мм. Рис. 2. Результаты измерений спектра γ-излучения изотопного источника 241 Am неохлаждаемым кремниевым детектором: голубой пик соответствует линии излучения с энергией 26,35 кэВ источника 241 Am Рентгеновские кванты регистрировались герме- тизированным детектирующим модулем с входной алюминиевой фольгой толщиной 7 мкм. Энергети- ческое разрешение 0,9 кэВ для линии излучения с энергией 26,35 кэВ (голубой пик) источника 241 Am. Измерения проводились с помощью предваритель- ного усилителя с резистивной обратной связью, из- готовленного в ННЦ ХФТИ. Для экспериментальных исследований энергети- ческого разрешения КПНД применялось также ха- рактеристическое рентгеновское излучение (ХРИ), возбуждаемое в различных материалах (Рис. 3 и 4). Рис. 3. Результаты измерений линии ХРИ кальция Рис. 4. Результаты измерений линии ХРИ титана 3 ХРИ Ca и Ti возбуждалось рентгеновской труб- кой с максимумом тормозного излучения 10 кэВ. Из Рис. 3 и 4 видно, что линии ХРИ Ca и Ti с энергией 3,69 и 4,51 кэВ уверенно регистрируются. Малая толщина мертвого слоя КПНД (порядка 1 мкм) позволяет регистрировать и измерять энер- гию низкоэнергетических частиц, что очень важно при разработке спектрометрической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов с ис- пользованием металлического гадолиниевого кон- вертора. 2. ЭЛЕКТРОНИКА ДВУХКАНАЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Блок-схема двухканальной спектрометрической детектирующей системы состоит из двух детекти- рующих модулей, двух зарядочувствительных уси- лителей, двух спектрометрических усилителей, двух USB-блоков питания и двух спектрометрических АЦП, подключенных к компьютеру или ноутбуку. Блок-схема двухканальной спектрометрической детектирующей системы представлена на Рис. 5. Рис. 5. Блок-схема двухканальной спектрометриче- ской детектирующей системы: 1 – детектирующие модули; 2 – зарядочувстви- тельные усилители; 3 – спектрометрические уси- лители; 4 – спектрометрические АЦП; 5 – DC/DC- преобразователи; 6 – компьютер или ноутбук Зарядочувствительный усилитель (ЗЧУ) представ- ляет из себя усилитель постоянного тока, способный работать с планарными детекторами емкостью до 10 пФ и входным током до 10 нА (при 250 МОм рези- сторе обратной связи). ЗЧУ спроектирован в виде усилителя постоянного тока с коэффициентом усиле- ния с разомкнутой обратной связью не менее 80 дБ и частотой единичного усиления не менее 200 МГц. На входе ЗЧУ применяется полевой транзистор с током утечки не более 5 пА (при температуре 25°С) и высокой крутизной ≈ 22 мА/В (также при темпера- туре 25°С). Указанные характеристики обеспечива- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 113 ют на частоте 100 кГц низкий шум (0,8 нВ/√Гц), приведенный к входу ЗЧУ с нулевой емкостью на входе. Типичный коэффициент передачи усилителя не менее 1 В/пКл. Типичное время нарастания сиг- нала 10…90% на выходе ЗЧУ не превышает 50 нс при 2 пФ емкости детектора. Динамический диапа- зон сигналов на выходе не менее 2 В. На Рис. 6 представлена упрощенная схема зарядочувствитель- ного усилителя. Рис. 6. Упрощенная схема зарядочувствительного усилителя Транзистор Т1  малошумящий JFET с малой ем- костью Cgs < 8 пФ и низким током затвора Ig < 1 пА, который обеспечивает высокое входное сопротивле- ние схемы. Сигнал с детектора подается непосред- ственно на затвор транзистора Т1, что обеспечивает минимальное искажение сигнала. Резистор R2 задает ток стока Т1. Напряжение на стоке Т1 задается напряжением на базе транзистора Т2. Транзистор Т2 подключен с транзистором Т1 в каскад сток-эмиттер с целью гашения эффекта Миллера на входе схемы, что существенно уменьшает эффективную входную емкость ЗЧУ и его шум, а также значительно улуч- шает частотную передаточную характеристику. Коллектор Т2 нагружен на генератор тока I1, что обеспечивает высокий коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью. Типичный рабочий ток транзистора Т2 равен 0,1 мА, что достаточно для того, чтобы не снизить частотную характеристику транзистора. Вместе с тем это достаточно низкий ток, чтобы не вызвать увеличение приведенного к входу последовательного шума. Транзистор Т3 ра- ботает как буфер с высоким входным сопротивлени- ем между коллектором Т2 и обратной связью. Цепь обратной связи состоит из высокоомного резистора R1 и конденсатора малой емкости C1. Типовая кон- фигурация  1 ГОм резистор R1 и 1 пФ конденсатор С1, что даёт константу экспоненциального затухания сигнала на выходе схемы 1 мкс. Выход ЗЧУ еще до- полнительно буферизирован операционным усили- телем. На Рис. 7 показана осциллограмма отклика ЗЧУ на заряд, пришедшего от детектора, подключенного к входу усилителя. Это экспоненциально затухающий импульс, пе- редний фронт которого определяет время сбора за- ряда в детекторе и время нарастания сигнала в ЗЧУ. Типичное значение времени нарастания сигнала для представленной выше схемы (см. Рис. 6) равно 50 нс при емкости детектора 2 пФ. Время затухания сиг- нала зависит от константы времени обратной связи зарядочувствительного усилителя, и типичное его значение 1 мкс. Это время затухания задает макси- мальную загрузку (импульсов в секунду) от детекто- ра, так как в случае наложения сигналов появятся искажения радиационного спектра. Рис. 7. Типичная осциллограмма импульса на выходе ЗЧУ. Время нарастания сигнала 50 нс, время затухания 1 мкс На Рис. 8 показана частотная характеристика ЗЧУ, полученная с помощью пакета анализа PSpice A/D. Рис. 8. Зависимость модуля коэффициента усиления ЗЧУ с разомкнутой обратной связью от частоты Частота единичного усиления не менее 200 МГц, а спад частотной характеристики 6 дБ/октаву наблюдается до 20 дБ, что при емкости входного транзистора 7…8 пФ позволяет стабильно работать с детекторами емкостью 2 пФ при 1 пФ конденсаторе в цепи обратной связи. На Рис. 9 показана зависимость от частоты вели- чины шума ЗЧУ, приведенного к эквивалентной входной емкости детектора в 2 пФ. Рис. 9. Частотная характеристика величины шума ЗЧУ, приведенного к входной емкости детектора ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 114 Минимальный шум достигается в частотной по- лосе от 100 кГц до 10 МГц, что позволяет работать с относительно короткими сформированными выход- ными импульсами со временем пика сигнала от 0,5 до 2 мкс. Указанный диапазон является типичным временем формирования сигналов CR-RC- формирователями для неохлаждаемых кремниевых детекторов при комнатной температуре. Импульсы с зарядочувствительного усилителя необходимо фильтровать для достижения макси- мального отношения сигнал/шум. Полоса частот, в которой полезный сигнал имеет наибольшую энер- гию, выделяется при фильтрации, и подавляются те частоты, где доминирует шум. Достаточно опти- мальным фильтром для полупроводниковых детек- торов является семи-гауссовый CR-(RC) n фильтр, позволяющий удобно менять константы времени фильтра путем переключения конденсаторов в схе- ме. Фильтр имеет коэффициент превышения шума Кп.ш.= 1,16 для 4-кратного интегрирования. На Рис. 10 показана упрощенная принципиальная схема реализации формирующего усилителя для случая четырех интегрирующих фильтров CR-(RC) 4 . Рис. 10. Упрощенная принципиальная схема усилителя формирователя CR-(RC) 4 Входной каскад на операционном усилителе U1 служит буфером, что обеспечивает высокое входное сопротивление на входе и предварительное усиление слабого сигнала с ЗЧУ до необходимой величины. Схема на U2 позволяет выполнять ноль-полюсную компенсацию в экспоненциально затухающем сиг- нале с ЗЧУ, которая необходима для стабилизации базовой линии при высоких количествах импульсов в секунду с детектора. Сигнал интегрируется в сек- циях U3 и U4, которые выполнены как фильтры низ- кой частоты по схеме Саллена-Ки. На Рис. 11 показана осциллограмма сформиро- ванного импульса на выходе усилителя формирова- теля со временем формирования tpk = 2 мкс. Рис. 11. Семи-гауссовый импульс на выходе усилителя формирователя Общая длительность сформированного импульса около 3tpk. Для оптимальной фильтрации сигналов с планарных детекторов при комнатных температурах экспериментально установлено, что при формирова- нии пика до 1,5 мкс дает наилучший результат, так как ток неохлажденного детектора дает дополни- тельный низкочастотный шум, снижая отношение сигнал/шум при импульсах с длинным фронтом. Напряжение USB-интерфейса компьютера (+5 В) используется в качестве первичного источника пи- тания для удобства применения будущего устрой- ства. USB-интерфейс широко применяется и дает возможность потребления мощности до 3,5 Вт. Для реализации всех необходимых питающих напряже- ний, используемых в спектрометрическом устрой- стве, был применен DC/DC-преобразователь со сле- дующими характеристиками. Характеристики DC/DC-преобразователя Входные характеристики Диапазон напряжения ± 10% Входное напряжение 5 В Входной ток без нагрузки 30 мА Входной ток при полной нагрузке 300 мА Выходные характеристики Выходное напряжение ± 12 В Выходной ток при полной нагрузке ± 50 мА Точность напряжения ± 3% Защита от короткого замыкания Есть Пульсация и шум (при 20 Мгц полосе пропускания) 100 мВ Температурный коэффициент ± 0,02%/°C На Рис. 12 показана структурная схема DC/DC преобразователя. Рис. 12. Структурная схема DC/DC-преобразователя В него входит входной фильтр с сглаживающими элементами С1 и С2, DC/DC-преобразователь с двойным выходом. Выходные напряжения преобра- зователя через соответствующие фильтры подаются в схемы усилителей. Питание двухканального спектрометрического модуля осуществляется от USB-порта, потребляемая мощность не более 2 Вт. 3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА (ФЛЮЕНСА) ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ Методика измерения плотности потока тепловых нейтронов основывается на регистрации неохлажда- емыми Si-детекторами низкоэнергетических конвер- сионных электронов, образующихся в металличе- ском гадолинии при захвате нейтронов. Поэтому для измерения плотности потока нейтронов спектромет- рической системой на основе неохлаждаемых детек- торов необходимо обеспечить достаточные энерге- тическое и пространственное разрешения, а также стабильность спектрометрической системы. Дости- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 115 жению этих целей способствует, прежде всего, кон- струкция применяемых КПНД. На Рис. 13 показано упрощенное поперечное се- чение одноканального планарного кремниевого де- тектора с р + -защитным кольцом. Рис. 13. Упрощенное поперечное сечение однока- нального планарного кремниевого детектора с р + -защитным кольцом: 1 – высокоомный кремний n-типа толщиной 300 мкм; 2 – имплантация р/n-перехода активной области детектора; 3 – р/n-переход р + -защитного кольца; 4 – окисный слой SiO2; 5 – Al кольцо для сбора заряда с активной области; 6 – Al кольцо р + -защитного кольца; 7 – n + -имплантация обратной стороны детектора; 8 – Al обратной стороны детектора Р + -защитное кольцо 3 кроме улучшения энерге- тического разрешения детектора также улучшает пространственное разрешение детектора. Защитное p + -кольцо очень точно ограничивает рабочую об- ласть детектора. Край активной области детектора располагается посредине зазора между краем им- плантации р/n-перехода активной области детектора и краем имплантации р/n-перехода р + -защитного кольца. Величина зазора между краем имплантации р/n-перехода активной области детектора и краем имплантации р/n-перехода р + -защитного кольца рав- няется 100 мкм. На Рис. 14 представлено полное описание попе- речного сечения края одноканального планарного кремниевого детектора. Рис. 14. Поперечное сечение края одноканального планарного кремниевого детектора: 1  8  то же, что и на Рис. 13; 9 и 10  контактные алюминиевые площадки к p/n-переходам активной области де- тектора и р + -защитного кольца; 11 – пассивирую- щий (защитный) слой окисла SiO2, покрывающий всю поверхность детектора, за исключением кон- тактных площадок; 12 – Al кольцо к омической токопроводящей имплантации (13) n + -кольца; 14  контактная Al площадка n + -защитного кольца Защитное омическое токопроводящее n + -кольцо уменьшает напряжение смещения к краю детектора для долговременной стабилизации характеристик детектора. На Рис. 15 представлены результаты испытаний долговременной стабильности макета двухканаль- ной спектрометрической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов на основе кремниевых планарных неохлаждаемых детекторов и конвертора из металлического гадолиния. Рис. 15. Результаты испытаний долговременной стабильности макета двухканальной спектрометрической детектирующей системы. Ось x: каналы АЦП, ось y: количество событий, зарегистрированное в течение 15 сут. Синяя гистограмма соответствует детектору без Gd, зеленая  для детектора с Gd Макет двухканальной спектрометрической де- тектирующей системы испытывался непрерывно в течение 15 сут. для определения долговременной стабильности и интенсивности шумовых событий. Как видно из рисунка, в диапазоне каналов 500…2500 наблюдается одно или менее одного шу- мового события в канале за сутки. Синяя (детектор без Gd) и зеленая (детектор с Gd) линии совпадают, за исключением диапазона от 600 до 800 канала. В этом диапазоне каналов на зеленой линии наблюда- ются два пика ХРИ гадолиния, инициированные космическим излучением. На Рис. 16 показано спектральное распределение излучения 239 Pu-Be (α, n)-источника нейтронов с па- рафиновым замедлителем толщиной 4 см, измерен- ное с помощью макета двухканальной спектромет- рической системы. Рис. 16. Спектральные распределения излучения 239 Pu-Be (α, n)-источника нейтронов, измеренные с помощью макета двухканальной спектрометриче- ской системы при толщине парафинового замедли- теля 4 см: нижняя кривая – спектральное распреде- ление, измеренное спектрометрическим каналом с детектором без конвертора. Верхняя кривая – спектральное распределение, измеренное спектрометрическим каналом с Gd-конвертором. Время измерения Т1 = 82591 с Методика определения плотности потока нейтронов заключается в анализе данных по обоим каналам спектрометрической системы и выделении сигнала от электронов конверсии. В диапазоне ожи- даемого сигнала от конверсионных электронов от 60 кэВ и выше [1, 9] можно наблюдать отклонения распределения данных по каналу детектора без гадо- линия по отношению к каналу с гадолиниевим кон- вертором. Определение плотности потока тепловых нейтронов зависит от количества зарегистрирован- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 116 ных электронов конверсии через коэффициент веро- ятности регистрации конверсионных электронов. Из приведенного Рис. 16 можно видеть, что пики конверсионных электронов 1 и 2 с энергиями 71 и 78 кэВ хорошо различаются. Максимум 3 с энергией 59,5 кэВ является линией ХРИ америция, которая излучается источником нейтронов. Максимумы 4 и 5 являются линиями ХРИ гадолиния. Так как макет двухканальной спектрометриче- ской системы изготовлен с использованием КПНД с размерами рабочих областей 55 мм (т.е. площадь рабочей области равна 0,25 см 2 ), то плотность пото- ка тепловых нейтронов Wn определяется из соотно- шения: Wn = ∑е - Kn/0,25∆T, 1/(cм 2 c), где Wn  плотность потока тепловых нейтронов; Σе -  сумма конверсионных электронов, измеренная в определенном интервале энергий за определенный промежуток времени с помощью макета двухка- нальной спектрометрической системы; Kn  коэф- фициент соответствия суммы конверсионных элек- тронов, измеренных в определенном интервале энер- гий за определенный промежуток времени с числом тепловых нейтронов, измеренных за тот же проме- жуток времени калибровочным устройством. Для определения коэффициента соответствия применен диапазон энергий конверсионных элек- тронов 60…80 кэВ. Время измерения Т1 = 82591 с для спектра, приведенного на Рис. 16. Для калибров- ки при определении коэффициента соответствия использован стандартный, поверенный прибор РМ- 21Р. Величина коэффициента соответствия Кn из полученных данных составляет 104,2. На Рис. 17 показано повторное измерение спек- трального распределения излучения 239 Pu-Be- источника с парафиновым замедлителем толщиной 4 см, время измерения Т2 = 129826 с. Рис. 17. Результаты повторного измерения спек- трального распределения излучения 239 Pu-Be (α, n)- источника нейтронов макетом двухканальной спектрометрической системы при толщине парафинового замедлителя 4 см и времени измерения Т2 = 129826 с Величина коэффициента соответствия Кn, опре- деленная из данных Рис. 17, составляет 104,4. Хо- рошая повторяемость коэффициента соответствия Кn свидетельствует о высокой точности метода из- мерения плотности потока тепловых нейтронов. ВЫВОДЫ Разработана блок-схема и выполнено макетиро- вание малогабаритной двухканальной спектромет- рической детектирующей системы для регистрации тепловых нейтронов. Спектрометрическая система создается на основе кремниевых планарных неохла- ждаемых детекторов и конвертора из металлическо- го гадолиния. Разработана методика измерения плотности по- тока (флюенса) тепловых нейтронов для применения в ядерной физике и ядерной медицине. Эксперимен- тально определен коэффициент соответствия Kn суммы конверсионных электронов, измеренных в определенном интервале энергий за определенный промежуток времени с числом тепловых нейтронов, измеренных за тот же промежуток времени калибро- вочным устройством. Величина коэффициента соот- ветствия Кn, определенная из экспериментальных данных Рис. 16 и 17, составляет 104,4. Показано, что двухдетекторная спектрометриче- ская система на основе планарных Si-детекторов и Gd-конвертора позволяет выполнять регистрацию тепловых нейтронов по выходу конверсионных электронов с возможностью учета фонового излуче- ния. В экспериментах использовались источник быстрых нейтронов 239 Pu-Be (α, n) и парафиновый замедлитель. Статья содержит результаты исследований, про- веденных при грантовой поддержке Государствен- ного фонда фундаментальных исследований по кон- курсному проекту № Ф79/128-2017. Исследование было проведено в рамках IDEATE Международной ассоциированной лаборатории (LIA). БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Г.П. Васильев, А.С. Деев, С.К. Киприч, А.А. Кап- лий, Н.И. Маслов, В.Д. Овчинник, С.М. Потин, М.Ю. Шулика, В.И. Яловенко. Модуль для реги- страции тепловых нейтронов на основе неохла- ждаемого кремниевого детектора и металличе- ского гадолиниевого конвертера // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно- физические исследования». 2016, в. 3(103), с. 99- 104. 2. Н.И. Маслов. Физические и технологические ас- пекты создания и применений кремниевых пла- нарных детекторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. «ФРПРМ». 2013, №2 (84), с. 165- 171. 3. Y. Unno. ATLAS silicon microstrip detector system (SCT) // Nuclear Instruments and Methods in Phys- ics Research. 2003, A 511, p. 58-63. 4. The ALICE Collaboration, K. Aamodt, et al. The ALICE Experiment at the CERN LHC, 2008_JINST_3_S08002. 5. CMS installs the world's largest silicon detector, CERN Courier, Feb 15, 2008 6. C. Aidala et al. The PHENIX Forward Silicon Vertex Detector, arXiv:1311.3594 [physics.ins-det], DOI: 10.1016/j.nima.2014.04.017. http://cerncourier.com/cws/article/cern/32915 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Aidala_C/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/abs/1311.3594 https://arxiv.org/ct?url=http%3A%2F%2Fdx.doi.org%2F10%252E1016%2Fj%252Enima%252E2014%252E04%252E017&v=5bd2ac9a ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 117 7. Benjamin Buck, Eric Anderssen, Jason Bessuille, Mario Cepeda, Thomas Johnson, James Kelsey, Ger- rit van Nieuwenhuizen, Gerard Visser. Design and Fabrication of a Highly Integrated Silicon Detector for the STAR Experiment at Brookhaven National Laboratory // arXiv:1404.0993v1 [physics.ins-det] 3 Apr 2014. 8. N. Maslov, V. Kulibaba, S. Potin, A. Starodubtsev, P. Kuijer, A.P. de Haas, V. Perevertailo. Radiation tolerance of single-sided microstrip detector with Si3N4 insulator // Nuclear Physics B (Proc. Suppl.). 1999, № 78, p. 689-694. 9. V.N. Dubina, S.K. Kiprich, N.I. Maslov, V.D. Ovchinnik. Thermal Neutrons Detection Mod- ule Capable of Electron and Gamma-Separation and Background Suppression // Problems of Atomic Sci- ence and Technology. Series “Nuclear Physics In- vestigations”. 2016, № 5, p. 88-93. Статья поступила в редакцию 13.03.2018 TECHNIQUE OF THERMAL NEUTRONS REGISTRATION BY TWO-CHANNEL SPECTROMETRIC SYSTEM BASED ON UNCOOLED Si-DETECTORS AND GADOLINIUM CONVERTER G.P. Vasylyev, O.S. Deiev, V.M. Dubina, S.K. Kiprich, O.A. Kapliy, M.I. Maslov, V.D. Ovchinnik, S.M. Potin, V. Sharyy, M.Ju. Shulika, V.I. Yalovenko A block diagram was developed and a working model of a small-sized two-channel spectrometric detection sys- tem was produced for thermal neutrons registration. The spectrometric system is created on the basis of silicon pla- nar uncooled detectors and a converter made of metallic gadolinium. A technique has been developed for measuring the flux density (fluence) of thermal neutrons for use in nuclear physics and nuclear medicine. A two-detector spec- trometric system based on planar Si detectors and Gd converter allows thermal neutrons registration using the con- version electrons output with the possibility of background radiation accounting. The fast neutron source 239 Pu-Be (α, n) and the paraffin moderator were used in the experiments. МЕТОДИКА РЕЄСТРАЦІЇ ТЕПЛОВИХ НЕЙТРОНІВ ДВОКАНАЛЬНОЮ СПЕКТРОМЕТРИЧНОЮ СИСТЕМОЮ НА ОСНОВІ НЕОХОЛОДЖУВАНИХ Si-ДЕТЕКТОРІВ І ГАДОЛІНІЄВОГО КОНВЕРТОРА Г.П. Васильєв, О.С. Деєв, В.М. Дубина, С.К. Кіпріч, О.А. Каплій, М.І. Маслов, В.Д. Овчинник, С.М. Потін, V. Sharyy, М.Ю. Шуліка, В.І. Яловенко Розроблено блок-схему і виконано макетування малогабаритної двоканальної спектрометричної детек- туючої системи для реєстрації теплових нейтронів. Спектрометрична система створюється на основі кремні- євих планарних неохолоджуваних детекторів і конвертора з металевого гадолінію. Розроблено методику вимірювання щільності потоку (флюенсу) теплових нейтронів для застосування в ядерній фізиці та ядерній медицині. Дводетекторна спектрометрична система на основі планарних Si-детекторів і Gd-конвертора до- зволяє виконувати реєстрацію теплових нейтронів по виходу конверсійних електронів з можливістю обліку фонового випромінювання. В експериментах використовувались джерело швидких нейтронів 239 Pu-Be (α, n) і парафіновий сповільнювач. https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Buck_B/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Anderssen_E/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Bessuille_J/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Cepeda_M/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Johnson_T/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Kelsey_J/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Nieuwenhuizen_G/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Nieuwenhuizen_G/0/1/0/all/0/1 https://arxiv.org/find/physics/1/au:+Visser_G/0/1/0/all/0/1

Similar Items