29. Детекторы нейтронов

29. Детекторы нейтронов

Как они работают

Нейтроны – незаряженные частицы, и поэтому они не вызывают прямую ионизацию. Однако, при их взаимодействии с веществом образуются вторичные ионизирующие частицы и регистрация таких частиц позволяет зарегистрировать нейтроны.

Основные типы взаимодействий, используемых для регистрации нейтронов, следующие:

  • реакция с бором-10, сопровождающаяся альфа-излучением;
  • реакция с гелием-3, сопровождающаяся испусканием протона; и
  • упругое рассеяние на ядрах водорода.

Первые два типа взаимодействия наиболее вероятны для нейтронов с энергиями выше 0.5 эВ. Такие нейтроны находятся внизу области промежуточных нейтронов и в области тепловых нейтронов (0.025 эВ) Для регистрации быстрых нейтронов может использоваться упругое рассеяние.

4.2     Типы детекторов нейтронов

При выборе подходящего типа детектора нейтронов необходимо принимать во внимание несколько факторов:

  • Чтобы быстрые нейтроны провзаимодействовали с материалом детектора, их необходимо замедлить (без поглощения), используя материал-замедлитель.
  • Материал детектора должен иметь большое сечение взаимодействия (то есть высокую вероятность) протекания необходимой реакции для того, чтобы детекторы могли иметь не очень большие размеры.
  • Тяжелые заряженные частицы, образовавшиеся при взаимодействии с материалом детектора, не должны выходить из активного объема детектора.

Следующие типы детекторов нейтронов отвечают этим четырем требованиям:

  • Пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым бором,
  • Пропорциональные счетчики, наполненные гелием,
  • Пропорциональные счётчики на ядрах отдачи,
  • Пузырьковые детекторы.

4.2.1     Пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым бором

Пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым бором, состоят из газонаполненного пропорционального счетчика, содержащего трехфтористый бор (BF3), обогащенный по бору-10. Этот наполняющий детектор газ служит своего рода мишенью для поступающих тепловых нейтронов. В детекторе протекает ядерная реакция, представленная формулой 1:

10B + n ® 7Li + a [1]

Эта реакция часто записывается как: 10B(n,a)7Li.

Ядра лития и альфа-частица имеют достаточную энергию, чтобы вызвать вторичную ионизацию в заполняющем детектор газе, которая может быть зарегистрирована. Отметим, что при некоторых взаимодействиях нейтронов испускается гамма-излучение с энергией 0.48 МэВ. Поэтому для разделения сигналов от падающих нейтронов и результирующего гамма-излучения необходима соответствующая схема разделения.

Пропорциональные счетчики на основе BF3 могут использоваться для регистрации промежуточных и быстрых нейтронов (до 10 МэВ). Однако, в этом случае детектор должен быть окружен таким замедлителем, как полиэтилен, чтобы снизить скорость нейтронов перед поглощением (смотрите Рисунок 20). Кадмиевые фильтры используются для обеспечения однородности по энергии.

Будучи хорошими детекторами тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов, счетчики на основе BF3 могут также использоваться в целях спектроскопии нейтронов.

4.2.2     Пропорциональные счетчики, наполненные гелием

Пропорциональные счетчики на основе гелия во многих отношениях похожи на счетчики, наполненный BF3. Основной механизм регистрации состоит в захвате тепловых нейтронов, но используя замедлитель, пропорциональные счетчики на основе гелия могут применяться для регистрации промежуточных и быстрых нейтронов.

Как следует из названия, пропорциональные счетчики на основе гелия используют гелий в качестве мишени и газа-наполнителя. Реакция, проходящая в газе-наполнителе, приведена в формуле 2:

3He + n ® 3H + p [2]

Часто пишут 3He(n,p)3H.

В этой реакции образуются ядро трития и протон, которые вызывают вторичную ионизацию.

Кроме того, пропорциональные счетчики, наполненные гелием, могут использоваться для целей спектроскопии.

4.2.3     Пропорциональные счетчики на ядрах отдачи

В качестве механизма регистрации в пропорциональных счётчиках на ядрах отдачи используется упругое рассеяние на ядрах водорода. В этих счетчиках нейтроны с энергиями больше 500 кэВ регистрируются, с помощью пропорционального счетчика, наполненного водородосодержащим газом таким, как метан. Быстрый нейтрон сталкивается с ядром водорода (которое представляет собой один протон), передает ему энергию. Затем это ядро производит вторичную ионизацию.

В некоторых пропорциональных счётчиках на ядрах отдачи используют такие водородсодержащие материалы, как полиэтилен, входящий в состав стенок счетчика. Такие счетчики окружается тонким слоем кадмия, который поглощает тепловые нейтроны.

4.2.4     Пузырьковые детекторы

Пузырьковые детекторы содержат микроскопические капли жидкости, диспергированной в гелеобразном материале. Налетающие нейтроны передают микрокаплям достаточно энергии, чтобы они вскипели и возникает газовый пузырек. Эти пузырьки хорошо видны и могут быть подсчитаны (смотрите Рисунок 21).

Рисунок 21

Пузырьковые детекторы перед (слева) и после (справа) облучения нейтронами

Доза нейтронного излучения пропорциональна плотности пузырьков, которая остается неизменной пока дозиметр не будет восстановлен.

Пузырьковые дозиметры используются в основном в индивидуальной дозиметрии. Однако, они также могут быть использованы для мониторинга окружающей среды.

4.3     Резюме по детекторам нейтронов

В Таблице 5 обобщены данные по различным детекторам нейтронов.

Таблица 5

Детекторы нейтронов

Детектор Основное применение Примечание
Пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым бором
  • Регистрация тепловых нейтронов
  • С соответствующим замедлителем могут использоваться для регистрации нейтронов с энергиями до 10 МэВ
  • Спектроскопия нейтронов
  • Так как может образовываться гамма-излучение, необходима схема разделения
Пропорциональные счетчики, наполненные гелием
  • Регистрация тепловых нейтронов
  • С соответствующим замедлителем могут использоваться для регистрации нейтронов с энергиями до 10 МэВ
  • Спектроскопия нейтронов
  • Так как может образовываться гамма-излучение, необходима схема разделения
Пропорциональные счётчики на ядрах отдачи
  • Регистрации быстрых (> 500 кэВ) нейтронов
Пузырьковые детекторы
  • Индивидуальная дозиметрия
  • Мониторинг окружающей среды

Вопросы для Самопроверки 6

Теперь выясните, как много Вы усвоили, отвечая в ваших рабочих тетрадях на следующие вопросы:

1.             Почему нейтроны не могут быть зарегистрированы детекторами, изученными в предыдущих разделах?

2.             а) Какие конструктивные изменения необходимы, чтобы использовать пропорциональные счетчики для регистрации нейтронов?

б) Почему такие материалы, как полиэтилен, обычно используют для окружения детектора?

3.             Какой вид нейтронов имеет большую вероятность вступить в взаимодействие с бором и гелием?

4.             Какой вид нейтронов имеет большую вероятность испытать упругое соударение с ядром водорода?

5.             Какой из дозиметров нейтронов может использоваться в индивидуальной дозиметрии?

Теперь сверьте свои ответы с правильными ответами в ваших рабочих тетрадях.