Итальянские физики, при поддержке Национального института ядерной физики в Генуе, разработали алмазный детектор для измерения потока нейтронов. Устройство, которое может найти применение в термоядерных реакторах, было описано в докладе на конференции ANIMMA 2015, с его содержанием можно ознакомиться на сайте arXiv.org.

Внешний вид нейтронного детектора, разработанного авторами. Основная многослойная часть детектора находится в центре изображения. Фотография: Barbara Caiff et al. / ANIMMA 2015 / arXiv.org

Авторы работы предложили использовать для нейтронного детектора алмазы, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы. В отличие от кремния, традиционно использующегося в детекторах, они обладают в 5 раз большей шириной запрещенной зоны. Благодаря этому, детекторы на основе алмазов обнаруживают гораздо меньший уровень темнового тока, вызываемого, в частности, теплом окружающей среды. Кроме того, устойчивость алмазов к радиации на порядок выше, чем у кремния.

Внутреннее устройство алмазного детектора. Зеленым обозначен слой полиэтилена, синее – алмазные слои. Изображение: Barbara Caiff et al. / ANIMMA 2015 / arXiv.org

Детектор представляет собой устройство, состоящее из двух частей. Первая — двухслойная пластинка, в которой поверх слоя тонкого алмаза нанесен слой полиэтилена, работающий как конвертор. Он преобразует поток нейтронов в протоны за счет столкновения первых с атомами, составляющими полимер. Затем, после небольшого промежутка располагается второй алмазный слой, толщиной в 20–60 раз больше, чем первый. Выбитые протоны «отдачи», попадая в эти слои, вызывают в нем разделение зарядов, которое фиксируется с помощью металлических контактов.

Разработанный физиками детектор во время тестирования на источнике быстрых нейтронов. Изображение: Barbara Caiff et al. / ANIMMA 2015 / arXiv.org

Это не первый прототип алмазного детектора, однако новым ключевым инженерным решением, по словам авторов, является наличие полости между алмазными пластинами. Дистанцирование второй алмазной пластины от первой позволяет ученым считывать данные только от тех протонов отдачи, которые двигаются перпендикулярно пластине, уменьшить шум от упругого рассеяния нейтронов. Подобная схема называется телескопом протонов отдачи.

Новая разработка предназначена для обнаружения и измерения потока нейтронов, образующихся в результате ядерных реакций, таких как слияние ядер дейтерия и трития. Именно на этом процессе будет работать строящийся сейчас международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР.