В Лаборатории
нейтронной физики ОИЯИ завершаются работы по созданию
опытно-экспериментального участка (ОЭУ) по разработке и изготовлению детекторов
тепловых нейтронов на основе конвертера из карбида бора. Участок будет сдан в
эксплуатацию в конце текущего года и позволит обеспечивать установки
нейтронного рассеяния современными детекторами как на реакторе ИБР-2, так
и в других исследовательских центрах России и за рубежом.
Как
сообщил начальник научно-экспериментального отдела комплекса спектрометров
ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ Виктор Боднарчук, ОЭУ представляет собой небольшую
производственную высокотехнологичную площадку, расположенную в корпусе № 119
ЛНФ ОИЯИ. Ядром участка является промышленная вакуумная установка магнетронного
напыления проходного типа ВАТТ-800 (ООО «Ферри Ватт», г. Казань) для нанесения
тонкопленочных покрытий из карбида бора 10В4С на
плоские подложки площадью до 1200 х 400 мм. ОЭУ включает в себя помещения для
мелкой обработки металлических деталей, помещение для подготовки подложек к
напылению, площадка сборки детекторов, включающая в себя место для пайки и
отладки электроники, а также комната с радиоактивным источником для испытания
готовых детекторов.
![1-2 (jpg, 554 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=33eea330-816d-4ea8-8ba3-8b39a64b20ee)
Установка
ВАТТ-800 («Ферри Ватт», г. Казань) для нанесения тонкопленочных покрытий из
карбида бора 10В4С на плоские подложки методом магнетронного распыления.
Первыми
пользователями новых детекторов нейтронов станут исследовательские группы ОИЯИ
и НИЦ «Курчатовский институт».
Уже есть заявки на детекторы для экспериментальных станций на реакторе ИБР-2, а
также на реакторах ПИК (Гатчина) и ИР-8 (Москва).
Каждый детектор создается под индивидуальную задачу для конкретной
экспериментальной установки. Будут создаваться следующие типы детекторов:
счетчики, мониторы пучка и позиционно-чувствительные детекторы. Каждый тип
имеет свои характеристики: позиционную чувствительность, пространственное и
временное разрешение, площадь входного окна и т. п.
«Мы
создаем опытно-экспериментальный участок по разработке детекторов тепловых и
холодных нейтронов, конвертером в которых выступает изотоп бор-10 в виде
соединения – карбид бора», – рассказал Виктор Боднарчук.
Он
пояснил, что в настоящее время большинство детекторов на спектрометрах реактора
ИБР-2 основаны на изотопе гелий-3. Этот газ является продуктом искусственного
происхождения, его количество ограничено и недостаточно для того, чтобы
удовлетворить спрос, что привело к его высокой стоимости. Поэтому в настоящее
время многие научно-исследовательские центры мира занимаются поиском
альтернативных технологий в регистрации нейтронного излучения.
Нейтрон
– нейтральная частица, не имеющая заряда, зарегистрировать которую можно только
при ее захвате ядром атома вещества-конвертера, который после захвата
распадается с выделением продуктов распада – заряженных частиц и/или
гамма-квантов. Регистрация происходит за счет обнаружения ионизации продуктами
распада газа либо за счет обнаружения свечения в сцинтилляторе – веществе,
излучающем свет при поглощении продуктов распада. В результате формируется
электрический сигнал, который выдается детектором. В этом процессе нейтрон
поглощается ядром и перестает существовать.
В
природе ограниченное число изотопов, которые можно использовать в качестве
конвертеров нейтронов. Это гелий-3, бор-10, гадолиний, кадмий и литий.
«Три
последних очень чувствительны к гамма-излучению, поэтому при работе детектора
имеется дополнительный фон. Используя бор-10, легче отделить сигналы нейтронов
от фонового гамма-излучения и выделить чистый сигнал от нейтрона», – сказал
ученый.
Кроме
того, промышленно доступным и менее дорогостоящим является изотоп 10В,
применяемый в атомной промышленности в виде твердотельного карбида бора 10В4С.
Сечение захвата тепловых нейтронов 10В составляет 0,7 от
сечения 3Не (3840 барн/5400 барн), что позволяет рассматривать
его как подходящий конвертер для разработки детекторов нейтронов. Существенным
фактором является то, что детекторы на основе 10В имеют более
высокое пространственное и временное разрешение. Пространственное разрешение
характеризует точность установления места прохождения частицы в детекторе.
Временное разрешение – минимальный интервал времени между прохождениями двух
частиц, регистрируемых в качестве отдельных событий.
Разработка
технологии нанесения карбида бора, обогащенного по изотопу 10В,
на различные основания большой площади началась в 2017 году сотрудниками НЭОКС
ИБР-2 совместно с Университетом
«Дубна». Технология позволяет получать аморфные покрытия 10В4С толщиной от
единиц нанометров до нескольких микрон с высокой адгезией к основанию. Пленки
обладают плотностью, близкой к природной, и при этом высокой гибкостью и
твердостью. Формирование покрытий происходит при температурах от 50 до 200 °С,
что позволяет наносить покрытия на тонкую фольгу и полимерные пленки. Первым
применением конвертера, полученного из 10В4С, был
опытный образец монитора нейтронного пучка для спектрометра малоуглового
рассеяния нейтронов ЮМО, размещенного на 4 канале реактора ИБР-2, испытания которого
показали надежную и хорошую работу.
![2-2 (jpg, 211 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=7ab55e1a-2da8-47dc-9674-01225195b69a)
Мониторы
пучка с конвертером из карбида бора 10В4С, нанесенного на алюминиевую пластину.
«На
основе первой удачной технологии мы уже делаем небольшие детекторы. Сейчас идет
отладка технологии изготовления детекторов и разработка сопутствующей
электроники. Мы находимся в самом начале пути», – рассказал Виктор
Боднарчук.
Он
пояснил, что после запуска ОЭУ освоенные технологии позволят создавать
детекторы площадью до 400 х 1200 мм. Отдельные элементы 400 х 1200 мм можно
будет совмещать друг с другом, увеличивая поверхность детектора.
Тем
не менее, у детекторов с борным покрытием существуют недостатки, над
преодолением которых работают ученые. Первое – это низкая эффективность
регистрации нейтронов, которая заметно уступает эффективности регистрации
детекторов на основе гелий-3. Карбид бора представляет собой плотное твердое
вещество, а гелий – газ. Регистрировать нейтроны в газовой среде проще,
поскольку продукты распада, вылетающие из ядра в результате захвата ядром
нейтрона, регистрируется в 100 % случаев, а в твердом материале могут
«застрять» и не вылететь в рабочий газ для регистрации.
«Нам
необходимо увеличить этот показатель так, чтобы он удовлетворял запросам
физиков-экспериментаторов, которые работают на установках с рассеянием
нейтронов», – подчеркнул ученый.
Не
все частицы распада изотопа бор-10, представляющие собой частицу гелия и изотоп
литий-7 (4Не и 7Li) могут быть зарегистрированы
из-за того, что могут остаться либо в подложке, либо в слое карбида бора 10В4С.
Если слой 10В4С толстый, то частица может не выйти
за пределы слоя, и нейтрон не будет зарегистрирован. Если же слой, наоборот,
слишком тонкий, то вероятность захвата нейтрона будет очень мала – нейтрон
пройдет насквозь, и будет зарегистрировано мало нейтронов. Оптимальная толщина
слоя составляет около 2,5 микрона. Эффективность одного такого слоя для
тепловых нейтронов достигает 5–8 %, в то время как эффективность 3Не-детекторов
может достигать 90 %.
Техническим
решением повышения эффективности является применение многослойной конструкции
детектора. В этом случае при количестве слоев более 30 можно добиться
эффективности до 60 %. При этом оптимальная толщина каждого слоя составляет
около 1 мкм. Другим техническим решением является установка конвертерного слоя
под скользящим углом к падающим нейтронам, не превышающим 5°. В этом случае
нейтрон движется в приповерхностном слое и совершает путь более, чем в 10 раз
длиннее толщины слоя. Вероятность захвата увеличивается при сохранении
возможности регистрации частиц распада.
«Если
располагать поверхность под острым углом к падающему излучению, то
эффективность регистрации нейтронов значительно увеличивается. Для физиков
представляет интерес эффективность от 60 %», – пояснил Виктор Боднарчук.
Для разных методик нейтронных исследований применяются разные способы
увеличения эффективности детекторов: для рефлектометрии предпочтительнее
расположение плоскостей под острым углом, а для дифракции – использование
многослойных детекторов. Расчеты и практический опыт зарубежных научных центров
показывают, что чувствительность детекторов может составлять около 90 % от
эффективности 3Не-детекторов.
Сейчас
в рамках создания лаборатории разработана конструкторская документация для
первых образцов детекторов, проведена отладка технологии нанесения карбида
бора, опробованы первые версии сборки. «В течение последнего года мы производим
тестовые образцы детекторов, которые в дальнейшем будем испытывать на реакторе
ИБР-2 как готовый продукт», – резюмировал Виктор Боднарчук.
Опытно-экспериментальный
участок по разработке детекторов нейтронов начнет работу уже в конце 2023 года.
Реализация проекта началась в 2021 года в рамках трехлетнего гранта Министерства науки и высшего
образования России. Объединение усилий детекторных групп лабораторий ЛЯП и
ЛФВЭ ОИЯИ и детекторной группы ПИК с отделом НЭОКС ИБР-2 ОИЯИ для создания
передовых детекторов нейтронов на основе 10В4С стало
возможным в рамках Гранта Минобрнауки, что дает надежду на скорое создание
отечественных детекторов нейтронов передового мирового уровня. В проекте
принимают участие НИЦ «Курчатовский институт», ПИЯФ, Институт ядерных исследований РАН, Институт физики металлов
Уральского отделения РАН, а также МФТИ, Казанский
федеральный университет и Государственный университет «Дубна».
Таким
образом, ОИЯИ становится центром разработки и изготовления детекторов тепловых
нейтронов на основе изотопа 10В4С передового
мирового уровня, способным перевооружить свои станции современными детекторами
и обеспечить исследовательские центры России, стран СНГ и других стран.
Источник: ОИЯИ.