Neutrondetektor és kiolvasórendszer fejlesztése
A kisebb (100 × 100 milliméter és 300 × 300 milliméter közötti) 3He gázizotóppal töltött neutrondetektorokhoz jellemzően delay line-os (késleltető művonalas) kiolvasási rendszert használunk, de ezek jelvesztesége és nemlinearitása már ebben a nagyobb mérettartományban nem megfelelő, ezért – hogy a vevői igényeknek megfelelhessünk – egy hatékonyabb technikát akartunk fejleszteni.
Így esett a választás a szálankénti kiolvasásra, megmaradva a 3He gázizotópos érzékelés mellett. A 3He teszi lehetővé a neutronok „befogását”, érzékelését nagy hatásfokkal, mivel ez az izotóp reakcióba lép a semleges töltésű neutronnal, és a reakció során kilépő, mozgási energiával rendelkező részecskék által keltett elektronok már a detektorban lévő vékony (15–70 um vastagságú) aranyozott volfrámszálak segítségével, töltéserősítők révén érzékelhetővé válnak. A szálakra nagyfeszültséget (néhány ezer voltot) adtunk, így hoztunk létre térerőt az érzékelés végbemenéséhez.
A prototípus méretét 1000 × 300 milliméteres aktív felületűre terveztük, melynek befoglaló mérete 1560 × 825 × 327 milliméter (szélesség × magasság × mélység) lett. Mivel a detektor egyben egy nyomástartó edény is, ezért a robusztus méretek, illetve az anyagválasztás is kötött a neutron-áteresztőképesség miatt, illetve a felaktiválódás miatt is, ezért alumíniumból készült a detektortest.
Száltartó-keretrendszer beszerelése a detektorházba.A detektor helyzetérzékenységét a detektorban lévő szálak mátrixa adja meg, tehát egymásra merőlegesen helyezkedik el az anód és a katódok szálsíkja (a 2 katód párhuzamos egymással, és a középső anódot fogják közre), és így adják meg az x és y koordinátákat, amelyek megmutatják, hogy a neutron hova repült a szóródás után. A volfrámszálakat keretekre feszítettük ki 7-7 milliméter távolságra egymástól, minden anódszálat kivezettünk, a katódokat pedig párosával összekötöttük, és ezeket vezettük ki a gáztérből a töltéserősítőkhöz.
Így összesen 189 jelvezetékünk lett, hozzá ugyanennyi töltéserősítő készült.
A szálak távolságának meghatározásában figyelembe vettük a felhasználói (fizikusi) elvárásokat. Egy neutrondetektor fő jellemzői: a helyfelbontás, a hatásfok, a homogenitás és az elérhető beütésszám (vagyis mennyi neutron együttes beérkezését tudja feldolgozni a rendszer). Ezek a paraméterek a fizikai tulajdonságokból és a feldolgozó elektronika működéséből adódnak ki. Itt fontos szempont a 3He gáz mennyisége (gázoszlop vastagsága és a nyomás), a szálak távolsága a tartókereteken és a keretek egymástól mért távolsága is.
Mivel a detektorkamrából kijövő jelek meglehetősen kicsik, ezért igen nagy erősítésű és alacsony zajú (kiváló jel-zaj viszonyú) erősítőkre volt szükség. A nagy érzékenység hátránya a zavarérzékenység, ami okozott némi nehézséget a fejlesztés során. Az analóg jelek digitálissá alakítását komparátorokkal oldottuk meg, ezután az elsődleges jelfeldolgozás egy FPGA segítségével történt, mely megkapta mind a 189 szál jelét. Hogy mely jelekből legyen valós találat, azt egy algoritmus segítségével döntöttük el, amely figyelte az anódról beérkező startjelet és a meghatározott időablakban hozzá érkező katódjeleket.
Detektor tesztelése a budapesti kutatóreaktornál.A kidolgozott neutrondetektálási eljárás szabadalmaztatására is sor került. A fejlesztési munkát 180 784 973 forinttal támogatta a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal a KFI_16-1-2017-0389 sorszámú pályázat keretében.•
