Детектування нейтронів — це ефективне виявлення нейтронів, які потрапляють у добре розміщений детектор. Є два ключових аспекти ефективного виявлення нейтронів: апаратне та програмне забезпечення. Апаратне забезпечення виявлення стосується типу використовуваного детектора нейтронів (найпоширенішим сьогодні є сцинтиляційний детектор) і електроніки, яка використовується в установці виявлення. Крім того, налаштування апаратного забезпечення також визначає ключові експериментальні параметри, такі як відстань джерело-детектор, телесний кут і екранування детектора. Програмне забезпечення для виявлення складається з інструментів аналізу, які виконують такі завдання, як графічний аналіз для вимірювання кількості та енергії нейтронів, що потрапляють на детектор.
Фізичні основи
Ознаки, за якими можна виявити нейтрон Атомні та субатомні частинки виявляються за сигнатурою, яку вони створюють через взаємодію з навколишнім середовищем. Взаємодії є результатом фундаментальних характеристик частинок.
Заряд: нейтрони є нейтральними частинками і не іонізують речовину безпосередньо; тому їх важче, ніж заряджені частинки, безпосередньо виявити. Крім того, електричні та магнітні поля лише незначно впливають на шляхи їхнього руху. Маса: маса нейтрона Particle Data Group's Review of Particle Physics 2006 не виявляється безпосередньо, але впливає на реакції, за допомогою яких його можна виявити. Реакції: нейтрони реагують з низкою матеріалів через , утворюючи ядро віддачі, непружне розсіювання, утворюючи збуджене ядро, або через поглинання з трансмутацією отриманого ядра. Більшість підходів до виявлення покладаються на виявлення різних продуктів реакції. Магнітний момент: хоча нейтрони мають магнітний момент μN, методи виявлення магнітного моменту надто нечутливі, щоб використовувати їх для детектування нейтронів. Електричний дипольний момент: Передбачається, що нейтрон має лише крихітний , який ще не виявлено. Отже, це ознака, непридатна для виявлення. Розпад: поза ядром вільні нейтрони нестабільні та мають середній час життя (приблизно 14 хвилин 46 секунд). Вільні нейтрони розпадаються шляхом випускання електрона та електронного антинейтрино, перетворюючись на протон, цей процес відомий як бета-розпад:Particle Data Group Summary Data Table on Baryons → + + .
Хоча і які утворюються в результаті розпаду нейтронів, можна виявити, швидкість розпаду надто низька, щоб служити основою для практичної системи детектування.
Класичні варіанти детектування нейтронів Через ці властивості виявлення нейтронів поділяють на кілька основних категорій:
Швидкі реакції поглинання — нейтрони низької енергії зазвичай виявляються опосередковано через реакції поглинання. Використовувані типові матеріали для поглинача мають високий поперечний переріз для поглинання нейтронів і включають гелій-3, літій-6, бор-10 і уран-235. Кожен з них реагує випромінюванням іонізованих частинок високої енергії, яких можна виявити кількома засобами. Зазвичай використовувані реакції включають 3He(n, p) 3H, 6Li(n, t) 4He, 10B(n,α) 7Li та поділ урану. Процеси активації. Нейтрони можуть бути виявлені шляхом реакції з поглиначами під час захоплення, сколювання або подібної реакції, утворюючи продукти реакції, які потім розпадаються, вивільняючи бета-частинки або гамма-випромінювання. Вибрані матеріали (наприклад, індій, золото, родій, залізо (56Fe(n, p) 56Mn), алюміній (27Al(n,α) 24Na), ніобій (93Nb(n,2n) 92mNb), і кремній (28Si(n, p) 28 Al)) мають надзвичайно великі поперечні перерізи для захоплення нейтронів у дуже вузькому діапазоні енергії. Використання кількох зразків поглинача дозволяє охарактеризувати енергетичний спектр нейтронів. Активація також дозволяє реконструювати історію опромінення нейтронами (наприклад, судово-медичну реконструкцію опромінення нейтронами під час інциденту критичності). Реакції пружного розсіювання (також називаються віддачею протонів) — нейтрони високої енергії зазвичай виявляються опосередковано через реакції . Нейтрони стикаються з ядрами атомів у детекторі, передаючи енергію цим ядрам і створюючи іони, які виявляються. Оскільки максимальна передача енергії відбувається, коли маса атома, з яким стикається нейтрон, порівнянна з масою нейтрона, водневіMaterials with a high hydrogen content such as water or plastic матеріали часто є кращим середовищем для таких детекторів.
Типи детекторів нейтронів
Газові пропорційні детектори Газові пропорційні детектори можуть бути адаптовані для виявлення нейтронів. Хоча нейтрони зазвичай не викликають іонізацію, додавання нукліда з високим нейтронним перерізом дозволяє детектору реагувати на нейтрони. Для цієї мети зазвичай використовуються нукліди гелій-3, літій-6, бор-10 і уран-235 . Оскільки ці матеріали, швидше за все, реагуватимуть з тепловими нейтронами (тобто нейтронами, які сповільнилися до рівноваги з навколишнім середовищем), вони зазвичай оточені сповільнювальними матеріалами, щоб зменшити їхню енергію та збільшити ймовірність виявлення.
Подальші уточнення зазвичай необхідні, щоб відрізнити нейтронний сигнал від ефектів інших типів випромінювання. Оскільки енергія теплового нейтрона є відносно низькою, реакції із зарядженими частинками є дискретними (тобто, по суті, моноенергетичними та пролягають у вузькому діапазоні енергій), тоді як інші реакції, такі як гамма-реакції, охоплюють широкий діапазон енергії, що дозволяє розрізняти джерела.
Як клас газоіонізаційні детектори вимірюють кількість (), а не енергію нейтронів.
3He газонаповнені пропорційні детектори Гелій-3 є ефективним матеріалом для детектування нейтронів, оскільки він реагує, поглинаючи теплові нейтрони, утворюючи іони 1H та 3H. Його чутливість до гамма-променів незначна, що дуже корисно для детектора нейтронів. На жаль, постачання 3He обмежене його утворенням як продукту розпаду тритію (період напіврозпаду якого становить 12,3 року); тритій виробляється або у збройових програмах як прискорювач ядерної зброї, або як побічний продукт роботи реактора.
BF3 газонаповнені пропорційні детектори Оскільки елементарний бор не є газоподібним, нейтронні детектори, що містять бор, можуть використовувати трифторид бору (BF3), збагачений до 96 % бору-10 (природний бор містить 20 % 10B, 80 % 11B).Boron Trifluoride (BF3) Neutron Detectors Трифторид бору високотоксичний. Чутливість цього детектора становить близько 35-40 CPS/nv (відліків за секунду на потік нейтронів), тоді як чутливість детектора з покриттям бором становить приблизно 4 CPS/nv. Це пояснюється тим, що в шарі, покритому бором, n реагує з бором і, отже, утворює іонні пари всередині шару. Тому утворюються заряджені частинки (альфа-частинка та літій), які втрачають частину своєї енергії всередині цього шару. Заряджені частинки з низькою енергією не можуть досягти газового середовища іонізаційної камери. Отже, кількість іонізацій, вироблених у газі, також менша.
Тоді як у заповненому газом BF3, n реагує з B у газі, а альфа-частинки та Li мають повну енергію здатні виробляти більшу іонізацію та давати більше імпульсів.
Пропорційні детектори з бором З іншого боку, газонаповнені пропорційні лічильники з бором реагують так само, як і газонаповнені пропорційні детектори BF3, за винятком того, що стінки покриті 10B. У цій конструкції, оскільки реакція відбувається на поверхні, лише одна з двох частинок потрапить в пропорційний лічильник.
Сцинтиляційні детектори нейтронів До сцинтиляційних детекторів нейтронів належать рідкі органічні сцинтилятори, кристали, пластмаси, скло та сцинтиляційні волокна.
Нейтронночутливі сцинтиляційні скловолоконні детектори Сцинтилююче скло 6Li для детектування нейтронів було вперше описано в науковій літературі в 1957 році, а ключові досягнення були досягнуті в 1960-х і 1970-х роках. Сцинтилююче волокно було продемонстровано Atkinson M. et al. у 1987 році, а значні успіхи були досягнуті наприкінці 1980-х і на початку 1990-х років у Тихоокеанській північно-західній національній лабораторії, де воно було розроблене як секретна технологія. Воно було розсекречене у 1994 році, і Oxford Instruments вперше отримав ліцензію у 1997 році, а потім передав Nucsafe у 1999 році. Оптоволокно та оптоволоконні детектори зараз виробляються та комерційно продаються компанією Nucsafe, Inc.Nucsafe Inc. website
Сцинтилюючі скляні волокна працюють шляхом включення 6Li та Ce3+ у склад скла. 6Li має високий поперечний переріз для поглинання теплових нейтронів через реакцію 6Li (n,α). Поглинання нейтронів створює іон тритію, альфа-частинку та кінетичну енергію. Альфа-частинка та тритон взаємодіють зі скляною матрицею, створюючи іонізацію, яка передає енергію іонам Ce3+ і призводить до випромінювання фотонів із довжиною хвилі 390 нм — 600 нм, оскільки збуджений стан іонів Ce3+ повертається в основний стан. Подія призводить до спалаху світла з кількома тисячами фотонів на кожен поглинений нейтрон. Частина сцинтиляційного світла поширюється через скловолокно, яке діє як хвилевід. Кінці волокон оптично з'єднані з парою фотоелектронних помножувачів для виявлення спалахів фотонів. Детектори можна використовувати для виявлення як нейтронів, так і гамма-променів, які зазвичай розрізняються за допомогою розрізнення висоти імпульсу. Докладено значних зусиль і досягнуто прогресу в зниженні чутливості волоконного детектора до гамма-випромінювання. Оригінальні детектори страждали від помилкових виявлень нейтронів у гамма-полі 0,02 мР. Удосконалення конструкції, процесу та алгоритму тепер дозволяють працювати в гамма-полях до 20 мР/год (60Co).
Сцинтилюючі оптоволоконні детектори мають чудову чутливість, вони міцні та мають швидку синхронізацію (~60 нс), тому можливий великий динамічний діапазон швидкості підрахунку. Перевага детекторів полягає в тому, що їм може бути надано будь-яку бажану форму, і можуть бути зроблені дуже великими або дуже маленькими для використання в різноманітних застосуваннях. Крім того, вони не покладаються на 3He або будь-яку сировину, доступність якої обмежена, а також не містять токсичних або регульованих матеріалів. Їх продуктивність збігається або перевищує показники 3He -трубок для сумарного підрахунку нейтронів завдяки вищій щільності частинок, що поглинають нейтрони, у твердому склі порівняно з газоподібним 3He під високим тиском. Незважаючи на те, що поперечний переріз захоплення теплових нейтронів 6Li низький порівняно з 3He (940 барн проти 5330 барн), щільність атомів 6Li у волокні в п'ятдесят разів більша, що призводить до переваги в коефіцієнті ефективної щільності захоплення приблизно 10:1.
LiCaAlF6 LiCaAlF6 — це нейтронночутливий неорганічний сцинтиляторний кристал, який, як і нейтронночутливі сцинтиляційні скловолоконні детектори, використовує захоплення нейтронів 6Li . Проте, на відміну від сцинтиляційних детекторів зі скловолокна, 6Li є частиною кристалічної структури сцинтилятора, що забезпечує йому природну високу щільність 6Li. Для надання кристалу сцинтиляційних властивостей додається легуючий агент, двома поширеними легуючими агентами є тривалентний церій і двовалентний європій. LiCaAlF6, легований європієм, має перевагу перед іншими матеріалами в тому, що кількість оптичних фотонів, вироблених за одне захоплення нейтрона, становить близько 30 000, що в 5 разів більше, ніж, наприклад, у нейтронночутливих сцинтилюючих скляних волокнах. Ця властивість полегшує розрізнення нейтронних фотонів. Завдяки високій щільності 6Li цей матеріал підходить для виготовлення легких компактних детекторів нейтронів, тому LiCaAlF6 використовувався для виявлення нейтронів на великих висотах під час польотів на повітряних кулях. Довгий час розпаду легованого Eu2+ LiCaAlF6 робить його менш придатним для вимірювань у середовищах із високим рівнем випромінювання; легований Ce3+ варіант має коротший час розпаду, але має менший світловий вихід.
Нейтронно-гамма-сцинтилятор NaIL з подвійним детектуванням