Детектирование нейтронов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Детектирование нейтронов

Нейтрон очень слабо взаимодействует с электронами атома, т.к. не имеет заряда, и сильно взаимодействует только с ядром. Зарегистрировать нейтроны можно при наблюдений продуктов этого взаимодействия, которое может быть рассеянием нейтронов на ядрах или захватом нейтрона ядром.

При рассеянии на ядре нейтрон передает этому ядру часть своей кинетической энергий, образуя ядро отдачи. Ядро отдачи является обычный заряженной частицей, и если энергия его не очень сильна, оно может быть зарегистрировано любым способом, пригодным для регистрации быстрых заряженных частицей, например ионизационной камерой, счетчиком, камерой Вильсона, фотоэмульсией и т.д.

Наиболее важным примером упругого рассеяния является рассеяние нейтронов на протонах. Как и при соударении биллиардных шаров, здесь равновероятны все случаи - от скользящего удара до лобового столкновения ( если E?10 МэВ). Большинство методов регистраций быстрых нейтронов основано на детектировании протонов отдачи от нейтрон-протонных соударений. механический монохроматор селектор ускоритель

До некоторых ступени все ядра упруго рассеивают нейтроны, но за исключением рассеяния на водороде упругое рассеяние резко используется для регистрации нейтронов. Также редко используется сопутствующий процесс - неупругое рассеяние быстрых нейтронов, в котором часть энергий тратится на возбуждения ядра и в конечном счете испускается в виде г-излучения.

При поглощении нейтрона ядром могут иметь место следующие процессы:

1. В случае тяжелых элементов большая часть энергий связи выделяется в виде г -излучения. Получающийся изотоп может быть стабильным (Cd¹¹⁴) или нестабильным (Au¹⁴⁸). В последнем случае изотоп распадается с испусканием е⁺ или е^- , иногда с последующим испусканием г -излучения;

2. В случае легких элементов может иметь место испускание p (He³ + n > p+T) или б - частица (Li⁶ + n > He⁴+He³). Для быстрых нейтронов возможно много вторичных процессов. Например, при Е_n около 3 МэВ сера и фосфор испускают протоны, в то время как при более высокой энергии (10-15 МэВ ) может быть испущен вторичный нейтрон - процесс, обозначаемый как (n, 2n);

3. В случае очень тяжелых ядер происходит деление. Некоторые тяжелые элементы делятся при захвате теплового нейтрона (U²³³, U²³⁵ и Pu²³⁹, Z?90). Все тяжелые элементы делятся, если они захватывают нейтрон с энергией в несколько МэВ.

Энергия осколков деления (около 160 МэВ) значительно больше энергии, выделяемый при любом процессе, описанный выше.

Метод активации фольги

Детекторы - тонкие фольги с площадью не более (3-4) см² позволяют мереть относительную интенсивность различных потоков нейтронов при условии одинаковости их спектрального состава. Сложнее мерить абсолютные потоки.

Рис. 3.1

R - скорость захвата

f - число захватов на 1см² индикатора

nх - плотность потока нейтронов, число нейтронов проходящий через 1см² за 1 сек

Доля диффузного потока нейтрона - число нейтронов пересекающих 1 см²индикатора во всех направлениях.

Если ослаблением потока нейтрона пренебречь нельзя, то

t₁- время между концом облучения и началом измерения

-интервал времени измерения радиоактивного индикатора

е - эффективность

Доля абсолютных измерений потока необходимо пользоваться тонкими индикаторами.

Спектральная чувствительность индикатора

(зависимость эффективности от Е_n ) определяется у и x.

Для тонкого индикатора эффективность ~у то .

Для толстого зависимость А₀ от у сложнее. В простейшем случае, когда пучок падает нармально на индикатор , и эффективность к нейтронам различных энергии определяется этой же формулой.

Если , то эффективность ?100% поглотитель называется черным, активация нумерует полный поток.

Рис. 3.2

Для диффузионного потока это связано еще с уменьшением потока нейтронов в окрестности фольги.

Рис. 3.3

Эти индикаторы активируются и тепловыми и резонансными нейтронами. От теплового можно экранировать тонким слоем Cd (десятой долей мм).

Пороговые детекторы (0,1 - 20 МэВ)

(n,p), (n,б), (n,2n) Метод активации.

Пример Ж.КюриS³²(n,p)P³²n=1.0 МэВ

Нейтронные детекторы на основе реакции расшепления

1. B¹⁰(n,б) Li⁷ 2.8 МэВ

2. Li⁶(n,б) H³4,78 МэВ

3. He³(n,p) H³0,764 МэВ

4. Деление ядер

B¹⁰(n,б) Li^7*> Li⁷ +б (Е_?=480 КэВ) (95%)

B¹⁰(n,б) Li⁷

(E_n- 0 - несколько сотен КэВ )

Используется в основном для регистрации медленных нейтронов (тепловых и резонансных)

В ионизационных камерах и счетчиках - .

Используется также --триметалл бора.

Реже используется твердое покрытие - B или B₄C (карбид бора).

Рис. 3.4

Рис. 3.5

Рис. 3.6

Интегральный дискриминант убирает импульс от ?--кванта, возникающих в стенках из-за е^-

Эффект 0.9 для тепловых , 0.03 для Е_n ~ 100 КэВ

Борные сцинтилляторы

Недостатки малая эффективность, малое разрушительное время 1 мкс.

1. B¹⁰(n,б) Li^7* > 480 КэВ.

е = 10 %

2. толщина (1-2) мм

Нечувствителен к ?--квантам

3. Бор растворяет в жидких сцилт

--7,5%

1. Камеры, счетчики

2. Сцинтилляционные счетчики LiI (европий) - монокристалл

ф = 0,3 мкс

Для моделирования нейтронов е = 10%

Для быстрых нейтронов (5 - 15) МэВ

Стеклянные сцинтилляторы , ф=5 нс

He³(n,p) H³. Для тепловых нейтронов 5000 барн ( в полтара раза больше чем для бора). 200 КэВ - 2 МэВ

Пропорцианальный счетчик: Деление U²³⁵, Np²³⁷, Pu²³⁹

Энергия деление не зависит от Е_n. Используется для медленных и быстрых нейтронов, Е= 150 - 170 МэВ 40--110 МэВ

Безфоновая камера

Неглубокая камера

Многослойные камеры

U²³⁵, Th²³², порог ~1 МэВ

Bi Порог ~25 МэВ

Метод ядер отдачи

H₂, метан, CH₄ , He , парафин, полиэтилен

Рис. 3.7

Детальное изучение сечения взаимодействия медленных и тепловых нейтронов было произведено с помощью нейтронной спектроскопий, которая позволяет выделять нейтроны другой энергии из непрерывного спектра.

Это выделение может быть либо пространственным, когда в данном направлении летят моноэнергетические нейтроны (метод моноэнергетического монохроматора, дифракция нейтронов от кристалла), либо временным, когда в данном направлении одновременно вылетают нейтроны всех энергий, но в зависимости от величины энергии они приходят в заданную точку пространства в разное время. Такое временное выделение называется методом временного пролета. В области низких энергии (до 10 - 100 КэВ) этот метод имеет 2 варианта:

Метод механического селектора, когда для обеспечения одновременности вылета нейтронов используются механические прерыватели пучка нейтронов - затвора и метод мигающего ускорителя, при котором короткие импульсы нейтронов получаются за счет импульсной бомбардировки мишени заряженными частицами или ?-квантами.

Метод времени пролета может быть применен и в области высоких энергии. В этом случае необходимо регистрировать очень короткое пролетное время (?10^-9 - 10^-8 сек). Это требует использования - микросекундных импульсных схем совместно с сцинтилляторами с быстродействующими фотоумножителями.

Кроме того для получения моноэнергетических нейтронов используются ядерные реакции и фотонейтронные источники.

Механический монохроматор

Рис. 3.8

Основной узел современного механического монохроматора представляет собой стальной цилиндр (ротор) с криволинейными щелями специально рассчитанной формы, прорезанными либо вдоль, либо поперек оси цилиндра. Привращений ротора с достаточной скоростью через щели будут проходить нейтроны определенной энергии Е--Е+ДЕ. Для изменения энергии монохроматизируемых энергии надо расположить по всей поверхности цилиндра, то па другому сторону цилиндра будет проходить практически непрерывный пучок моноэнергетических нейтронов. Монохроматор такой конструкции имеет большую светосилу и хорошую разрешающую способность. Область энергии (10^-3--1) эВ.

Механически селектор

Первый прибор такого типа для тепловых нейтронов был построен Ферми и его сотрудниками в 1947 г.

Рис. 3.9

Полость стального цилиндра заполнено чередующимися слоями из Al и Cd толщины 0,75 и 0,15 мм. При расположений слоев пучка и цилиндра будет проходить первоначального пучка нейтронов. При небольшом повороте пучок будет полностью перекрываться. Вращающий цилиндр выполняет функции затвора. При быстром вращении цилиндра за ним возникает пульсирующий пучок тепловых нейтронов, пачки нейтронов. Причем нейтроны в каждой пачке имеют непрерывный спектр с интервалом Е_мин--Е_макс

Для выделения нейтронов определенных энергии Ферми применил детектор с управляемой чувствительностью. Усилитель отпирался на короткое время сигналами от фотоэлемента, возникающими в нем через определенное время после каждого импульса нейтронов. Это достигалось при помощи укрепленного на цилиндре зеркальца, которое отражало свет от лампочки на ФЭ при определенных положениях цилиндра. Исследуемый образец О помещался внутри коллиматора К.

Метод мигающего ускорителя

Рис. 3.10

Если дугу источника ионов, направленный в циклотроне, периодически включать на короткое время, то с тем же периодом в циклотроне будут возникать ускоренные дейтоны. Поставив на путь Be-мишени, можно получить пульсирующий пучок быстрых нейтронов, которые после замедления в парафине трансформируются в короткие пачки медленных нейтронов. Открывание детектора синхронизируется с моментом подачи напряжения на ионный источник (с некоторым запаздыванием).

Размещено на Allbest.ru