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, площадку сборки детекторов, включающую в себя место для пайки и отладки электроники, а также комнату с радиоактивным источником для испытания готовых детекторов.

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.

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 году 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.