Read-Out System for Thermal Neutron Detectors Based on ZnS(Ag)/LiF Scintillator

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Neutron scintillation detectors based on ZnS(Ag)/LiF, solid-state photomultipliers, and an organic glass lightguide developed at INR RAS are successfully used in neutron diffractometers facilities at INR RAS as a replacement for standard counters based on 3He. These detectors use optical lightguide with diffuse reflection, which makes it possible to multiply the recorded signal (up to 95 photoelectrons) in comparison with detectors with wavelength shifting fibers. The paper describes 2 types of types of bias circuit for silicon photomultipliers. A method of dynamic bias has been proposed, which makes it possible to reduce the recovery time of a silicon photomultiplier and 8 times increase the loading capacity of neutron detectors. Simulation and comparison of 2 types of preamplifiers showed an increase in the loading capacity. The new electronics makes it possible to increase the loading capacity of the detectors up to 400 kHz. A circuit for digital control of discrimination thresholds has been developed and described. A new data acquisition system for time-of-flight neutron diffractometers for 80 detectors with the possibility of scaling has also been developed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. N. Marin

Institute for Nuclear Research of the RAS; National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Author for correspondence.
Email: marin@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312; Gatchina, 188300

D. N. Trunov

Institute for Nuclear Research of the RAS; National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Email: marin@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312; Gatchina, 188300

V. S. Litvin

Institute for Nuclear Research of the RAS; P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS

Email: marin@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312; Moscow, 117312

R. A. Sadykov

Institute for Nuclear Research of the RAS

Email: marin@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312

E. V. Altynbaev

National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Email: marin@inr.ru
Russian Federation, Gatchina, 188300

References

  1. Kuzmin E.S. // Instrum. Experimental Tech. 2008. V. 51. № 5. P. 639.
  2. Cieślak M.J., Gamage K.A., Glover R. // Crystals. 2019. V. 9. P. 480. https://www.doi.org/10.3390/cryst9090480
  3. Gnezdilov I.I., Dedenko G.L., Ibragimov R.F., Idalov V.A., Kadilin V.V., Kaplun A.A., Klemetiev A.V., Mukhin V.I., Taraskin A.A., Turin E.M., Zaripov R.N. // Phys. Procedia. 2015. V. 74. P. 199. https://www.doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.192.4
  4. Бушама Л., Громушкин Д.М., Дмитриева А.Н. // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2018. № 4. С. 1840202.
  5. Stoykov A. Mosset J.-B., Greuter U., Hildebrandt M., Schlumpf N. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2015. V. 787. P. 361. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2015.01.076
  6. Марин В.Н., Садыков Р.А., Трунов Д.Н. Литвин В.С., Аксенов С.Н. // Приборы и техника эксперимента. 2018. № 1. С. 5. https://www.doi.org/10.7868/S003281621801007X
  7. Yu Q., Tang B., Huang Ch., Wei Y., Chen Sh., Qiu L., Wang X., Xu H., Sun Zh., Wei G., Tang M. // Nucl. Engineer. Technol. 2022. V. 54. Iss. 3. P. 1030. https://www.doi.org/10.1016/j.net.2021.09.014
  8. Cates J.W., Steele J., Balajthy J., Negut V., Hausladen P., Ziock K. // Sensors. 2022. V. 22. P. 3553. https://www.doi.org/10.3390/s22093553
  9. Недорезов В.Г., Беляев А.Д., Игнатов А.С., Литвин В.С. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2009. № 2. С. 125.
  10. McKnight T.K., Czirr J.B., Littrell K. // Nucl. Instrum. Meth. A. 2008. V. 586, P. 246.
  11. Pritchard K., Osovizky A., Ziegler J., Binkley E., Tsai P., Hadad N., Jackson M., Hurlbut C., Baltic G.M., Majkrzak C.F., Maliszewskyj N.C. // IEEE Trans Nucl. Sci. 2020. V. 67. Iss. 1. P. 414. https://www.doi.org/10.1109/TNS.2019.2953875
  12. Nakamura T. // JINST. 2017 V. 12. P. C12025. https://www.doi.org/10.1088/1748-0221/12/12/C12025
  13. Stowell P. // JINST. 2021 V. 16 P. 11039. https://www.doi.org/10.1088/1748-0221/16/11/P11039
  14. Pritchard K., Osovizky A., Ziegler J., Binkley E., Tsai P., Hadad N., Jackson M., Hurlbut C., Baltic G.M., Majkrzak C.F., Maliszewskyj N.C. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2021 V. 68. Iss. 7. P. 1519. https://www.doi.org/10.1109/TNS.2021.3091008.
  15. Харжеев Ю.Н. //Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2015. Т. 46. № 4. С. 1227.
  16. Марин В.Н. // Письма в журнал технической физики. 2015. Т. 41. № . 18. С. 96.
  17. Gnezdilov I.I., Dedenko G., Ibragimov R.F., Idalov V.A., Kadilin V., Kaplun A., Klemetiev A.V., Mukhin V.I., Taraskin A.A., Turin E., Zaripov R.N. // Physics Procedia. 2015. V. 74. P. 199. https://www.doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.192
  18. Acerbi F., Gundacker S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2015. V. 923. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.118
  19. А.с. № 2022664139 (РФ). Программа модуля микроконтроллера для управления и настройки предусилителей детектора СФЕРА (Sphere detector control). / Институт ядерных исследований РАН. Трунов Д.Н. // 25.07.2022.
  20. А.с. № 2022664140 (РФ). Программа ПЛИС модуля для регистрации и накопления импульсов с детекторов ионизирующих излучений (Fast impulse counts 16). / Институт ядерных исследований РАН. Трунов Д.Н. // 25.07.2022.
  21. Патент. № 2782417 C1 (РФ). Устройство для регистрации излучения. / НИЦ “Курчатовский институт” — ПИЯФ. Трунов Д.Н., Марин В.Н., Алтынбаев Е.В. // 26.10.2022.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Construction of a thermal neutron scintillation detector (front and side view): organic glass or polystyrene light guide (1); avalanche diodes of a silicon photomultiplier (2); optical lenses integrated into the light guide (3); ZnS(Ag)/LiF scintillator(4); silicon photomultiplier mounting board (5).

Download (57KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Charge spectrum of the counter under neutron irradiation.

Download (65KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Standard detector bias circuit: R1 — bias regulator; C1 – storage capacitor; R2 — ballast resistor; R3 — load resistance of a silicon photomultiplier; C2 — distributed capacitance of a silicon photomultiplier (1 nF); D1 — silicon photomultiplier.

Download (39KB)
Indexing metadata
5. 4. The result of modeling the waveform on a standard silicon photomultiplier (a) and at the output of a circuit with a dynamic offset (b) [18]. Uk is the comparator trip voltage, and tb is the overcompensation time.

Download (73KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Block diagram of the developed amplifier–shaper.

Download (88KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Signals received from detectors with standard (a) and dynamic (b) displacement schemes of silicon photomultipliers.

Download (144KB)
Indexing metadata
8. 7. The registration and control system of the SPHERE diffractometer.

Download (102KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».