RU2414725C1 - Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions - Google Patents
Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2414725C1 RU2414725C1 RU2009124817/28A RU2009124817A RU2414725C1 RU 2414725 C1 RU2414725 C1 RU 2414725C1 RU 2009124817/28 A RU2009124817/28 A RU 2009124817/28A RU 2009124817 A RU2009124817 A RU 2009124817A RU 2414725 C1 RU2414725 C1 RU 2414725C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detector
- anode
- gas
- neutrons
- cathode
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к детекторам элементарных частиц и может быть применено для регистрации нейтронов в физических экспериментах, а также в атомной энергетики (в зонах АЭС, в которых имеется интенсивное гамма-излучение).The invention relates to elementary particle detectors and can be used to detect neutrons in physical experiments, as well as in nuclear energy (in areas of nuclear power plants in which there is intense gamma radiation).
Из уровня техники известны газовые детекторы. Простейшим из них является ионизационная камера [1]. Она представляет собой систему двух электродов в объеме, заполненном инертным газом (чаще всего аргоном и неоном). Если частица полностью останавливается в объеме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы.Gas detectors are known in the art. The simplest of these is the ionization chamber [1]. It is a system of two electrodes in a volume filled with an inert gas (most often argon and neon). If the particle completely stops in the chamber volume, then it is easy to determine the particle energy by the value of the collected charge (the number of electrons that arrived at the anode).
Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Газовое усиление - это увеличение количества свободных зарядов в объеме детектора за счет того, что первичные электроны на своем пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Такой режим работы отвечает пропорциональному счетчику, который конструктивно представляет цилиндр (катод) с центральной металлической нитью (анод). Недостатком является то, что в ионизационной камере постоянное напряжение и газовое усиление приведет к пробою.The disadvantage of the ionization chamber is its very low currents. This disadvantage of the ionization chamber is overcome in gas amplification ionization detectors. Gas amplification is an increase in the number of free charges in the volume of the detector due to the fact that primary electrons, on their way to the anode in high electric fields, acquire energy sufficient to ionize the neutral atoms of the detector’s working medium. This mode of operation corresponds to a proportional counter, which constructively represents a cylinder (cathode) with a central metal thread (anode). The disadvantage is that in the ionization chamber constant voltage and gas amplification will lead to breakdown.
Пропорциональный счетчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Если еще больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и довести коэффициент газового усиления до 104-105, то в детекторе начинает нарушаться пропорциональность между энергией регистрируемой частицы и величиной собранного заряда. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счетчик частиц.The proportional counter is capable of performing the functions of a spectrometer, just like an ionization chamber. If we further increase the potential difference between the anode and cathode and bring the gas gain to 10 4 -10 5 , then the proportionality between the energy of the detected particle and the value of the collected charge begins to be violated in the detector. The device goes into limited proportionality mode and can no longer be used as a spectrometer, but only as a particle counter.
Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объеме свободных носителей зарядов вызовет искровой разряд. При этом амплитуда электрического сигнала с такого счетчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт [1]. Газонаполненные детекторы имеют два недостатка [1]. Во-первых, плотность газа низка, и энергия, теряемая частицей в объеме детектора, мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе, относительно велика (25-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.If the potential difference between the anode and cathode in a gas-filled counter exceeds a certain critical value, then the appearance of free charge carriers in its volume will cause a spark discharge. In this case, the amplitude of the electric signal from such a counter (called a spark) can reach hundreds of volts [1]. Gas-filled detectors have two drawbacks [1]. First, the gas density is low, and the energy lost by the particle in the volume of the detector is small, which does not allow efficiently registering high-energy and weakly ionizing particles. Secondly, the energy required to produce an electron-ion pair in a gas is relatively large (25–40 eV), which increases the relative fluctuations in the number of charges and impairs the energy resolution.
Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трех электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролете заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать достигали электродов.The ionization chamber is the simplest gas-filled detector. It is a system of two or three electrodes in a volume filled with gas (He + Ar, Ar + C 2 H 2 , Ne). The ionization chamber can be made in the form of a flat or cylindrical capacitor. The magnitude of the applied voltage (usually hundreds of volts) is selected so that free charges formed in the chamber during the passage of a charged particle as quickly as possible, before they have time to recombine, reach the electrodes.
Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению.Ionization chambers are integrating and pulsed. In integrating chambers, at high fluxes of particles, the pulses merge and a current proportional to the average energy release is recorded.
Простейшая ионизационная камера представляет собой замкнутый газовый объем, в котором расположены два плоско-параллельных электрода. К электродам прикладывается разность потенциалов U, создающая в рабочем объеме камеры электрическое поле напряженности E.The simplest ionization chamber is a closed gas volume in which two plane-parallel electrodes are located. A potential difference U is applied to the electrodes, which creates an electric field of intensity E.
Во время движения электронов и ионов к электродам во внешней цепи камеры индуцируется ток, заряжающий емкость C. Нарастание импульса, т.е. зарядка емкости C, прекращается в тот момент, когда все электроны и ионы, созданные в газе камеры, достигнут соответствующих электродов. Емкость C заземлена через сопротивление R, величина которого выбирается такой, чтобы, с одной стороны, не происходила разрядка емкости C в течение времени, пока идет ее зарядка током, идущим через камеру, а с другой стороны, емкость C успела бы почти полностью разрядиться к моменту попадания в камеру следующей частицы. Таким образом, сопротивление R выбирается так, чтобы T<<RC<<Δt, где T - время собирания зарядов, a Δt - временной интервал между импульсами.During the movement of electrons and ions to the electrodes, a current charging the capacitance C is induced in the external circuit of the chamber. The pulse build-up, i.e. charging of the capacitance C stops at the moment when all the electrons and ions created in the chamber gas reach the corresponding electrodes. The capacitance C is grounded through a resistance R, the value of which is chosen such that, on the one hand, the capacitance C does not discharge during the time while it is being charged by the current flowing through the chamber, and on the other hand, the capacitor C has almost completely discharged to the moment the next particle enters the chamber. Thus, the resistance R is chosen so that T << RC << Δt, where T is the charge collection time, and Δt is the time interval between pulses.
Время собирания зарядов, образованных частицей в газе камеры, зависит от скорости их движения к электродам, так называемой скорости дрейфа, причем скорость дрейфаThe collection time of the charges formed by the particle in the chamber gas depends on the speed of their movement to the electrodes, the so-called drift velocity, and the drift velocity
электронов и ионов различна из-за разницы в их массах (так, скорость дрейфа электронов в ~103 раз больше, чем ионов, а время собирания электронов в ~103 раз меньше).electrons and ions are different due to the difference in their masses (for example, the electron drift velocity is ~ 10 3 times more than ions, and the electron collection time is ~ 10 3 times less).
Амплитуда импульса обусловлена двумя составляющими - электронной и ионной, причем вклад в полную амплитуду импульса зарядов того или иного знака определяется отношением пройденной ими разности потенциалов к полной разности потенциалов, приложенной к электродам камеры.The amplitude of the pulse is due to two components - electronic and ionic, and the contribution to the total amplitude of the pulse of charges of one or another sign is determined by the ratio of the potential difference they have traveled to the total potential difference applied to the chamber electrodes.
Характер работы ионизационной камеры существенно зависит от величины напряжения U, приложенного к электродам [1].The nature of the operation of the ionization chamber substantially depends on the voltage U applied to the electrodes [1].
Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией <10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя. Наиболее близким решением является пропорциональный счетчик [1], в котором используется механизм газового усиления. При этом к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Коэффициент газового усиления может достигать 103-104. В названии пропорциональный счетчик отражено то, что в этом приборе полный собранный заряд остается пропорциональной энергии, потерянной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счетчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.The disadvantage of the ionization chamber is its very low currents. This disadvantage of the ionization chamber is overcome in gas amplification ionization detectors. This makes it possible to register particles with energies <10 keV, while signals from particles of such energies in ionization chambers "sink" in the noise of the amplifier. The closest solution is the proportional counter [1], which uses the gas amplification mechanism. In this case, an increasing electron avalanche will move to the anode. The gas amplification coefficient can reach 10 3 -10 4 . The name of the proportional counter reflects the fact that in this device the total collected charge remains proportional to the energy lost by the charged particle in the primary ionization of the detector medium. Thus, a proportional counter is capable of performing the functions of a spectrometer, just like an ionization chamber. The energy resolution of proportional counters is better than scintillation counters, but worse than semiconductor counters.
Конструктивно пропорциональный счетчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно большую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт в зависимости от радиуса нити напряженность поля вблизи анода может достигать 40000 В/см, в то время как у катода она равна сотням в/см.A structurally proportional counter is usually made in the form of a cylindrical capacitor with an anode in the form of a thin metal filament along the axis of the cylinder, which provides an electric field near the anode that is much larger than in the rest of the detector. With a potential difference between the anode and cathode of 1000 volts, depending on the radius of the filament, the field strength near the anode can reach 40,000 V / cm, while at the cathode it is equal to hundreds of w / cm.
Если еще больше довести коэффициент газового усиления до значений >104, то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной регистрируемого заряда. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счетчик частиц.If the gas amplification coefficient is brought even more to values> 10 4 , then the proportionality between the energy lost by the particle lost in the detector and the magnitude of the detected charge begins to be violated. The device goes into limited proportionality mode and can no longer be used as a spectrometer, but only as a particle counter.
Временное разрешение пропорционального счетчика может достигать сотни наносекунд. Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объем счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергиями, меньшими 20 кэВ, больше 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон. В целом газовые детекторы, действующие в пропорциональном режиме газового усиления, широко применяются для регистрации нейтронов в интервале энергий 10 кэВ-20 МэВ [2]. В качестве рабочего газа используются водородосодержащие газы (метан, этилен и т.п.) и основной вклад во взаимодействие нейтронов с газом есть упругое рассеяние нейтронов на протоне. При наличии внешней радиации гамма-кванты взаимодействуют со стенками детектора и возникающие при этом электроны пронизывают газовый объем детектора. Сигналы от этих электронов являются фоном при регистрации протонов отдачи. Треки протонов отдачи отличаются от треков электронов по степени ионизации электрон-ионных пар вдоль трека, что проявляется в форме электрических сигналов, и это является основой режекции внешней радиации. Если фоновый электрон движется параллельно анодной нити, то режекция невозможна. Поэтому рабочее положение детектора такое, когда пучок нейтронов направлен перпендикулярно боковой поверхности детектора.The time resolution of a proportional counter can reach hundreds of nanoseconds. Proportional counters are used to register alpha, beta particles, protons, gamma rays and neutrons. Proportional counters are most often filled with helium or argon. When registering charged particles and gamma rays, thin entrance windows are used to avoid particle energy loss prior to registration. Sometimes the source is placed in the volume of the counter. The registration efficiency for soft gamma rays with energies less than 20 keV is more than 80%. To increase the efficiency of registration of more energetic gamma rays, xenon is used. In general, gas detectors operating in the proportional mode of gas amplification are widely used for detecting neutrons in the energy range of 10 keV-20 MeV [2]. Hydrogen-containing gases (methane, ethylene, etc.) are used as the working gas, and the main contribution to the interaction of neutrons with gas is the elastic scattering of neutrons by a proton. In the presence of external radiation, gamma rays interact with the walls of the detector and the resulting electrons penetrate the gas volume of the detector. The signals from these electrons are the background for registration of recoil protons. Tracks of recoil protons differ from electron tracks in the degree of ionization of electron-ion pairs along the track, which manifests itself in the form of electrical signals, and this is the basis for the rejection of external radiation. If the background electron moves parallel to the anode filament, then rejection is not possible. Therefore, the working position of the detector is such that the neutron beam is directed perpendicular to the side surface of the detector.
Максимальный допустимый гамма-фон не превышает 0.05 рад/ч для практических установок.The maximum permissible gamma background does not exceed 0.05 rad / h for practical installations.
Технический результат заявленного изобретения: возможность функционирования детектора нейтронов в условиях рекордно интенсивного гамма-фона (до 100 рад/ч); использование более простой и быстрой электроники для регистрации нейтронов и режекции сигналов от фоновых электронов как по амплитуде, так и по форме импульсов; возможность увеличения регистрации нейтронов (скорости счета).The technical result of the claimed invention: the ability of the neutron detector to operate under conditions of a record intense gamma background (up to 100 rad / h); the use of simpler and faster electronics for neutron detection and rejection of signals from background electrons both in amplitude and in the shape of pulses; the possibility of increasing neutron registration (count rate).
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, характеризующийся направлением пучка нейтронов в детектор (см. чертеж), содержащий корпус (4) в виде цилиндрической трубки, которую заполняют газом, внутри которой посередине располагают анод (1), а по контуру трубки катод (2), подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор (3), отличающийся тем, что пучок нейтронов пропускают в детектор через входное окно (5), выполненное из бериллия, а сам детектор выполняют с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности.The claimed technical result is achieved due to the fact that the method of detecting slow and fast neutrons in conditions of intense external radiation, characterized by the direction of the neutron beam into the detector (see drawing), containing the body (4) in the form of a cylindrical tube, which is filled with a gas inside which in the middle the anode (1) is arranged, and the cathode (2) connected to the high voltage line and the insulator (3) separating the cathode from the casing, characterized in that the neutron beam is passed into the detector through the input window (5) along the tube’s contour made of beryllium, and the detector itself is operable so that the formation of electrical signals occurs locally on the anode surface.
Кроме того, анод подключают через сопротивление не менее 50 Ом на землю. В детекторе нейтронов режим пропорционального газового усиления заменен на постпропорциональный режим-режимы ограниченной пропорциональности и самогасящийся режим (СГС-режим) [3], при которых образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. Вероятность образования СГС-сигналов зависит от степени ионизации вдоль трека и геометрического положения трека в газовом объеме. Для электронов максимальная степень ионизации будет в конце трека, когда электрон останавливается и фоновые электроны дадут СГС-сигналы, если они летят перпендикулярно анодной нити (или под небольшими углами к ней) и останавливаются внутри детектора. В остальных случаях сигналы от электронов будут в пропорциональной моде газового усиления. Протоны отдачи в этой области энергий нейтронов имеют степень ионизации по крайней мере в несколько раз больше, чем максимальная степень ионизации от электрона и следовательно меньший пробег. Поэтому вероятность стримерного режима для протонов близка к единице. Величина выходного анодного СГС-сигнала достаточно велика (0.6 ч 1.0 мА) и легко выделяется от пропорциональных сигналов. Например, внешняя радиация дозой 100 рад/ч выразится в протекании анодного тока ~1 мкА при коэффициенте газового усиления в пропорциональной моде ~100.In addition, the anode is connected through a resistance of at least 50 ohms to ground. In the neutron detector, the proportional gas amplification mode is replaced by the post-proportional mode-modes of limited proportionality and the self-extinguishing mode (GHS mode) [3], in which the formation of electrical signals occurs locally on the anode surface. The probability of the formation of GHS signals depends on the degree of ionization along the track and the geometric position of the track in the gas volume. For electrons, the maximum degree of ionization will be at the end of the track when the electron stops and the background electrons give GHS signals if they fly perpendicular to the anode filament (or at small angles to it) and stop inside the detector. In other cases, the signals from the electrons will be in the proportional mode of gas amplification. The recoil protons in this region of neutron energies have a degree of ionization of at least several times greater than the maximum degree of ionization from an electron and therefore less range. Therefore, the probability of the streamer regime for protons is close to unity. The value of the output anode GHS signal is quite large (0.6 h 1.0 mA) and is easily distinguished from proportional signals. For example, external radiation at a dose of 100 rad / h is expressed in the flow of the anode current of ~ 1 μA with a gas gain in the proportional mode of ~ 100.
Конструктивное устройство газового детектора показано на чертеже.The design of the gas detector is shown in the drawing.
Газовый детектор для регистрации медленных и быстрых нейтронов в условиях интенсивной внешней радиации, содержащий корпус (4) в виде цилиндрической трубки, заполненный газом, внутри которой посередине расположен анод (1), по контуру трубки катод (2), подключенный к линии высокого напряжения, и отделяющий катод от корпуса изолятор (3), отличающийся тем, что содержит входное окно (5), выполненное из бериллия, через которое пучок нейтронов попадает в детектор, а сам детектор выполнен с возможностью функционирования так, что образование электрических сигналов происходит локально на анодной поверхности. Кроме того, анод подключен через сопротивление не менее 50 Ом на землю.A gas detector for detecting slow and fast neutrons in conditions of intense external radiation, comprising a casing (4) in the form of a cylindrical tube filled with gas, inside of which anode (1) is located in the middle, a cathode (2) connected to the high voltage line along the tube, and an insulator (3) separating the cathode from the housing, characterized in that it contains an input window (5) made of beryllium, through which a neutron beam enters the detector, and the detector itself is operable so that the formation of electrical their signal occurs locally on the anode surface. In addition, the anode is connected through a resistance of at least 50 ohms to ground.
Сопротивление 50 Ом стандартное - и представляет собой волновое сопротивление кабеля, которое используется в быстрой электронике, ведь сигналы в СГС-режиме пара десятков нсек. Пучок нейтронов попадает в детектор через входное окно. В водородосодержащих газах наблюдается отчетливый СГС-режим, и из большого набора газов можно выбрать приемлемый газ с оптимальными дрейфовыми характеристиками. Конструктивное отличие детектора в СГС-режиме от пропорционального счетчика заключается в диаметре анодной проволоки - если для пропорционального счетчика диаметр анодной проволоки 10~20 мкм, то для счетчика в СГС-режиме 80~100 мкм.The resistance of 50 Ohms is standard - and represents the wave impedance of the cable, which is used in fast electronics, because the signals in the GHS mode are a couple of tens of nsec. A neutron beam enters the detector through the input window. In hydrogen-containing gases, a distinct GHS regime is observed, and from a large set of gases one can choose an acceptable gas with optimal drift characteristics. The structural difference of the detector in the GHS mode from the proportional counter is in the diameter of the anode wire - if for the proportional counter the diameter of the anode wire is 10 ~ 20 μm, then for the counter in the GHS mode 80 ~ 100 μm.
Конструктивно детекторы в пропорциональном и СГС режимах различаются только диаметром анода, но физика разная. В пропорциональном режиме размножение начинается на расстоянии ~1 мкм от поверхности анода, коэффициент газового усиления 10~100, длительность импульса больше 100 нсек и предъявляются жесткие требования к уровню шумового сигнала предусилителя. В СГС-режиме размножение начинается на расстоянии ~50 мкм от поверхности анода и основную роль в образования СГС-сигнала играет образованное электрическое поле ионов. Вероятность образования СГС-сигнала зависит от дрейфовых характеристиках газа, анодного напряжения, от удельной и полной ионизации регистрируемой частицы и геометрического расположения трека в газовом объеме.Structurally, the detectors in proportional and GHS modes differ only in the diameter of the anode, but the physics is different. In the proportional mode, reproduction begins at a distance of ~ 1 μm from the anode surface, the gas amplification coefficient is 10 ~ 100, the pulse duration is more than 100 nsec, and stringent requirements are placed on the noise level of the preamplifier. In the GHS mode, reproduction begins at a distance of ~ 50 μm from the surface of the anode, and the formed electric field of the ions plays the main role in the formation of the GHS signal. The probability of the formation of a GHS signal depends on the drift characteristics of the gas, the anode voltage, the specific and complete ionization of the detected particle, and the geometric location of the track in the gas volume.
Механизм возникновения СГС-сигнала состоит в следующем. После образования лавин начальными электронами первичной ионизации (которые находятся ближе всего к аноду) образуется ионное облако ('головка' стримера на расстоянии нескольких мкм от поверхности анода), которое начинает влиять на газовое усиление последующих электронов, увеличивая его. Происходит лавинообразный процесс и ионное поле препятствует прохождению электронов на анод - это режим ограниченной пропорциональности. Газовое усиление последующих электронов первичной ионизации будет определяться в основном кулоновским полем ионов. Образующиеся электроны будут собираться в 'головке' стримера, нейтрализую ее. Если при нейтрализации 'головки' суммарное кулоновское поле ионов и электронов в 'головке' станет меньше напряженности на поверхности анода, то они уйдут на анод. Если имеются избыточные электроны вне 'головки' стримера, то они будут собираться в 'головке' и уходить из 'головки' на анод - это есть СГС-сигнал. Амплитуда СГС-сигнала больше 0.1 мА, а длительность ~20 нсек, т.е. никаких проблем для обычной ядерной электроники. Режекция протонов отдачи от электронов фона основана на том, что из-за различной удельной ионизации и длин трека, подавляющая часть электронов дадут сигналы в пропорциональной моде усиления, а протоны - в СГС-режиме (различие в газовом усилении 4-5 порядка). В пропорциональном режиме ('тонкий' анод) влияние внешнего гамма-фона ограничивается наложением сигналов со всей длины анодной проволоки. Фоновые электроны образуются из-за фотоэффекта и Компон-эффекта при взаимодействии гамма-квантов с материалом боковой поверхности детектора. В случае СГС-режима ('толстый' анод) нейтроны попадают в детектор через Ве-окно толщиной ~100 мкм и взаимодействием гамма-квантов с входным окном можно пренебречь из-за низкого Z бериллия. Основной фон будет, если гамма-радиация в месте расположения детектора будет пространственно изотропна.The mechanism of the GHS signal is as follows. After the formation of avalanches by the initial primary ionization electrons (which are closest to the anode), an ion cloud forms (the 'head' of the streamer at a distance of several microns from the surface of the anode), which begins to affect the gas amplification of subsequent electrons, increasing it. An avalanche-like process occurs and the ion field prevents the passage of electrons to the anode - this is a mode of limited proportionality. The gas amplification of subsequent primary ionization electrons will be determined mainly by the Coulomb field of ions. The resulting electrons will be collected in the 'head' of the streamer, neutralizing it. If upon neutralizing the “head” the total Coulomb field of ions and electrons in the “head” becomes less than the tension on the surface of the anode, then they will go to the anode. If there are excess electrons outside the 'head' of the tape drive, then they will collect in the 'head' and leave the 'head' on the anode - this is the GHS signal. The amplitude of the GHS signal is greater than 0.1 mA, and the duration is ~ 20 nsec, i.e. no problem for conventional nuclear electronics. The rejection of proton recoil from background electrons is based on the fact that, due to different specific ionization and track lengths, the overwhelming majority of electrons will give signals in the proportional amplification mode, and protons in the GHS mode (the difference in gas amplification is 4-5 orders of magnitude). In proportional mode ('thin' anode), the influence of an external gamma background is limited by the superposition of signals from the entire length of the anode wire. Background electrons are formed due to the photoelectric effect and the Compone effect in the interaction of gamma rays with the material of the side surface of the detector. In the case of the GHS regime (the 'thick' anode), neutrons enter the detector through a Be-window with a thickness of ~ 100 μm and the interaction of gamma rays with the input window can be neglected due to the low Z of beryllium. The main background will be if gamma radiation at the location of the detector is spatially isotropic.
Влияние гамма-фона выразится в протекании квазипостоянного тока с анода на землю через сопротивление 50 Ом, т.е. в смещении нулевой линии. Пример - для счетчика длиной 10 см и при газовом усилении в пропорциональной моде ~100 внешняя радиация 100 рад/ч выразится в протекании тока ~1 мкА.The influence of the gamma background is expressed in the flow of a quasi-constant current from the anode to the ground through a resistance of 50 Ohms, i.e. in zero line offset. Example - for a meter 10 cm long and with gas amplification in the proportional mode ~ 100, external radiation of 100 rad / h will be expressed in a current flow of ~ 1 μA.
Возможность увеличения скорости счета реализуется за счет увеличения объема газа в детекторе. Объем газа в детекторе можно повысить за счет увеличения длины анода. В обычных детекторах в пропорциональном режиме есть ограничение на длину анода не только из-за гамма-фона. Увеличение длины анода приводит к увеличению емкости детектора, приведенной ко входу предусилителя, т.е. к увеличению уровня шумов. В СГС-режиме слишком большой сигнал и нет этой проблемы (применяются трубки длиной до 10 м).The possibility of increasing the counting rate is realized by increasing the volume of gas in the detector. The gas volume in the detector can be increased by increasing the length of the anode. In conventional detectors in proportional mode, there is a limit on the length of the anode, not only because of the gamma background. An increase in the length of the anode leads to an increase in the detector capacitance reduced to the input of the preamplifier, i.e. to increase the noise level. In the GHS mode, the signal is too large and there is no this problem (tubes up to 10 m long are used).
В Государственном научном центре Российской Федерации - Институте физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ) газовые детекторы являются одним из основных детекторов при проведении физических экспериментов и накоплен большой опыт в понимании процессов газового усиления.At the State Scientific Center of the Russian Federation, the Institute of High Energy Physics (SSC IHEP), gas detectors are one of the main detectors in conducting physical experiments, and extensive experience has been gained in understanding gas amplification processes.
Источники информацииInformation sources
1. http://duginov-mirea.narod.ru/off-line/.1.http: //duginov-mirea.narod.ru/off-line/.
2. «Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов» (под ред. Ю.А. Егорова). М.: Атомиздат, 1974.2. "Experimental studies of the fields of gamma radiation and neutrons" (edited by Yu.A. Egorov). M .: Atomizdat, 1974.
3. Г.А. Акопджанов «Постпропорциональный режим газового усиления в цилиндрических счетчиках» ПТЭ, 3 (2008), 51-60.3. G.A. Akopjanov “Post-proportional regime of gas amplification in cylindrical meters” PTE, 3 (2008), 51-60.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009124817/28A RU2414725C1 (en) | 2009-07-01 | 2009-07-01 | Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009124817/28A RU2414725C1 (en) | 2009-07-01 | 2009-07-01 | Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009124817A RU2009124817A (en) | 2011-01-10 |
| RU2414725C1 true RU2414725C1 (en) | 2011-03-20 |
Family
ID=44053801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009124817/28A RU2414725C1 (en) | 2009-07-01 | 2009-07-01 | Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2414725C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530436C1 (en) * | 2013-05-13 | 2014-10-10 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of detecting particles using drift tube-based detectors |
-
2009
- 2009-07-01 RU RU2009124817/28A patent/RU2414725C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| АКОПДЖАНОВ Г.А. «ПОСТПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ ГАЗОВОГО УСИЛЕНИЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СЧЕТЧИКАХ», ПРОТВИНО, 2007, с.13. * |
| АЛЕКСЕЕВ Г.Д., КРУГЛОВ В.В., ХАЗИНС Д.М. «САМОГАСЯЩИЙСЯ СТРИМЕРНЫЙ (СГС) РАЗРЯД В ПРОВОЛОЧНОЙ КАМЕРЕ». «ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И АТОМНОГО ЯДРА», 1982, т.13, вып.3, с.703-748. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530436C1 (en) * | 2013-05-13 | 2014-10-10 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of detecting particles using drift tube-based detectors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009124817A (en) | 2011-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Charpak et al. | Some developments in the operation of multiwire proportional chambers | |
| US9847215B2 (en) | Method for detecting and distinguishing between specific types of environmental radiation using a high pressure ionization chamber with pulse-mode readout | |
| Beg et al. | Table-top neutron source for characterization and calibration of dark matter detectors | |
| Åkesson et al. | Study of straw proportional tubes for a transition radiation detector/tracker at LHC | |
| Wingerter-Seez | Particle physics instrumentation | |
| Neilson et al. | Fast Neutron Time‐of‐Flight Spectrometer | |
| Vovchenko et al. | Study of the hard component of pulsed X-ray emission of micropinch discharge plasma | |
| RU2414725C1 (en) | Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions | |
| RU91567U1 (en) | GAS DETECTOR FOR REGISTRATION OF SLOW AND FAST NEUTRONS IN THE CONDITIONS OF INTENSE EXTERNAL RADIATION | |
| Iacobaeus et al. | Sporadic electron jets from cathodes the main breakdown-triggering mechanism in gaseous detectors | |
| Rios et al. | Total fluence influence on the detected magnitude of neutron burst using proportional detectors | |
| Stoub et al. | A helical-cathode proportional chamber system for a charged-particle spectrometer | |
| Vadas et al. | High-rate axial-field ionization chamber for particle identification of radioactive beams | |
| Sanabria et al. | Parallel-plate avalanche detectors with anode wire grids | |
| Moe | Ionization of Inert Gases by Positive Potassium Ions | |
| Büsser et al. | A large area transmission detector and its application for the measurement of the polarization of fast neutrons | |
| Denisov | On using CF4 as working gas for drift tubes | |
| Mayer et al. | Efficient energy spectrometer for charged particle detection in surface studies | |
| Brookes et al. | A high resolution photon tagging system in the GeV region | |
| Berry | Neutron lifecycle series: Helium-3 gas detectors at the sns and hfir | |
| Breskin | New trends in low-pressure gaseous detectors | |
| Novakov et al. | An electrostatic method for the recoil measurement of sub-nanosecond nuclear lifetimes | |
| Ovchinnikov et al. | GEM-based detectors for direct detection of low-mass WIMP, solar axions and narrow resonances (quarks) | |
| Parusov et al. | GEM-Based Detectors for Direct Detection of Low-Mass WIMP, Solar Axions and Narrow Resonances (Quarks) | |
| Spisak et al. | A helical cathode position sensitive proportional counter system for use in a broad range spectrograph |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200702 |