Нейтронні детектори - Фізична енциклопедія
НЕЙТРОННІ ДЕТЕКТОРИ - прилади для реєстрації та визначення енергетич. спектр нейтронів. Нейтрони не мають електрич. зарядом і залишають після себе слідів (треків) з ионизир. і збуджених частинок, поява яких брало викликає спрацьовування більшості детекторів частинок. Тому H. д. завжди містить деяку речовину - радіатор (конвертер), ядра якого при взаємодії з нейтронами породжують заряд. частинки або g-кванти. Для детектування нейтронів використовуються разл. види взаємодії нейтронів із ядрами.
Пружне розсіювання нейтронів на ядрах. Нейтрони, що пружно розсіюються на ядрах, передають їм кіне-тич. енергію (енергію віддачі), яка залежить від параметра удару, маси ядра і енергії налітає нейтрона. Для легких ядер (1 H, 2 H, Не) частка енергії, що передається, висока. При центрі. Удар нейтрон передає протону всю енергію. Для реєстрації ядер віддачі використовуються зазвичай пропорційні лічильники, наповнені H 2 CH 4 і 4 He до тисків p в дек. атмосфери. Їхня ефективність h невелика (h
10 -2 - 10 -4 для
0,01-20 МеВ). Цим методом можна реєструвати тільки нейтрони з дек. десятків кеВ, тому що слабку іонізацію від ядер віддачі важко виділити над шумами апаратури та тлом від g-квантів. Для відновлення спектру нейтронів, що реєструються, необхідно вимірювати крім енергії протона кут між траєкторіями нейтрону і протона. Це здійснюється у трекових детекторах – пропорц. та пухирцевих камерах, рокоскопах лічильників, фотоемульсіях і т. д.
Для детектування нейтронів великих енергій зазвичай використовуються сцинтиляції детектори з органич. сцинтиляторами (що містять багато водню) означає. розмірів, в яких брало пробіги протонів віддачі l великі (напр., при
100 МеВ у водіl = = 10 див). Спектри нейтронів великих енергій вимірюються за відхиленням протонів віддачі в магн. поле. Однак цей метод придатний тільки для інтенсивних потоків нейтронів, тому що товщина радіатора має бути мала, щоб у ньому протони віддачі не відчували помітного гальмування; досить малим повинен бути і використовуваний тілесний кут, в якому протони вилітають з радіатора. Для
1 ГеВ реєстрація нейтронів за протонами віддачі стає малоефективною, т.к. переріз пружного розсіювання, продовжуючи монотонно падати, стає меншим перерізу множинного народження частинок (див. Множинні процеси).
Ядерні реакції з вильотом заряджених частинок.
Для детектування нейтронів зазвичай застосовують 3 реакції (табл.).
Переріз захоплення s і сумарна енергія Q зарядженийних частинок для =25,3 меВ
Пробіги l в речовині a-частинок і протонів малі, тому ядра 3 He, 6 Li, 10 B зазвичай вводяться всередину газорозрядних сцинтилляц. та ін детекторів. Іноді радіатор у вигляді твердого хімічного. з'єднання 10 B наноситься тонким шаром на внутр. поверхню газорозрядного детектора, проте через сильне поглинання ядер 7 Li і a-частинок в самому радіаторі такі H. д. ефективності поступаються детекторам, наповненим газоподібними радіаторами 10 BF 3 , 10 BCH 3 , 3 He. Через "прилипання" електронів до іонів не вдається створити газовий H. д. з p> 1 атм. Виняток - H. д. з 3 He (р 3 He за зміщенням піку амплітудного розподілу, відповідного енергії, що виділяється при реакції 3 He (n, р) 3 Н, Q = 0,764 МеВ.
При високих густинах 3 He для реєстрації p і t користуються сцинтильцями. детектором, причому сцин-тилятор служить сам 3 He. Це призводить до скорочення т до 10 нc. Сцинтиляц. метод застосовується і для реєстраціїпродуктів реакцій 10 B(n,a) 7 Li, 6 Li(n, a) 3 H. При цьому порошок 10 B або 6 Li сполуки змішуються з порошком сцинтилятора ZnS (Ag). Така суміш слабопрозора, то її можна використовувати тільки в тонких шарах, тобто для теплових нейтронів. Більш прозорі боровмісні рідкі та пластич. сцинтилятори та літієве скло.
Поділ ядер під впливом нейтронів. Осколки поділу, що розлітаються, володіючи великою енергією (
80 МеВ на 1 уламок), утворюють на виході H. д. імпульс з амплітудою в 50-100 разів більшою, ніж у попередніх випадках. Радіаторами служать 233 U (перетин розподілу для теплових нейтронів s f = 533 барн), 235 U (s f = 580 барн), 239 Pu (s f = 750 барн). внутр. поверхня іонізація. камери покривається тонким шаром речовин, що діляться (камера поділу). T. к. пробіг осколків в радіаторі малий (8 мг см -2 ), то навіть для товстого шару 235 U ефективність h -5 на 1 шар). Швидкі нейтрони зручніше реєструвати радіаторами з 238 U або 232 Th, у яких брало s f для теплових нейтронів -5 барн (див. Поділ ядер).
наиб. простий спосіб реєстрації уламків та його просторів. розподілів - за дефектами утворених уламками в приповерхневих шарах деяких твердих прозорих матеріалах (див. Діелектричний детектор). T. до. ефективність у камер поділу низька, вони використовуються для детектування інтенсивних потоків нейтронів, напр. у системах управління ядерними реакторами.
Радіаційне захоплення нейтронів (n, g) стабільними ядрами (практично всіма і за будь-яких ) супроводжується миттєвим g-випромінюванням (т
10-14 с). При
1 - 10 МеВ H. д. має радіатор, що містить ядра з великим перерізом реакції (n, g), оточений сцинтиляц. детекторами g-променів. Нейтрони з до дек. десятків кеВ детектують з м'яких g-променів( = 478 кеВ) від реакції 10 B(n, ag) 7 Li. Реєстрація g-квантів дозволяє використовувати товсті радіатори; h
1%. Для резонансних нейтронів зручний H. д. з радіатором, що містить суміш ядер лантаноїдів, що мають великий переріз s(n, g), з невеликим колом води. Уповільнення нейтронів у воді дозволяє згладити залежність h(), що має без води вигляд частоколу з безлічі отд. максимумів (нейтронні резонанси, див. Нейтронна спектроскопія). Ядра лантаноїдів після захоплення нейтрону випромінюють каскад g-квантів. Це дозволяє, включивши отд. секції сцинтиляц. детектора g-квантів у схему збігів, знизити фон при h
Радіоактивні індикатори. Захоплення нейтрону стабільними ядрами часто призводить до утворення b-активних ядер. Опромінені нейтронами речовини (індикатори) у вигляді тонких фольг (Au, In, Ag, Cu тощо) розміщуються перед детектором b-частинок. Якщо період напіврозпаду T 1/2 значно більше часу опромінення індикатора, то за величиною b-активності можна визначити кількість нейтронів, що потрапили в індикатор за час опромінення. Вимірювання абс. b-активності вимагають знання тілесного кута, поглинання та розсіювання b-часток у самому індикаторі та стінках детектора. Для відносить. вимірювань нейтронних потоків досить обмежитися вимірами b-активностей індикаторів у тотожності. умовах. Так вимірюють, наприклад, просторів. розподіл нейтронів у активній зоні реактора. Для вимірювання інтенсивності слабких нейтронних потоків користуються радіохіміч. методом, заснованим на Сциларда - Чалмерса ефект. Для детектування швидких нейтронів використовують реакції (n, p); (n, 2 n); (n, a), пороги яких брало
10 МеВ, а перерізи
0,5 барна, що призводять до утворення b-активних ядер. Бета-розпад короткожиючих ядер радіатора (T 1/2 1c) викликає електрич. струм у т.з. датчикахпрямий зарядки, які застосовуються для детектування інтенсивних потоків нейтронів.
Детектування ультрахолодних нейтронів (-8 еВ) утруднено тим, що такі нейтрони ефективно відбиваються від поверхні радіаторів, проникаючи вглиб на малу глибину (
150), на який ймовірність захоплення нейтрона незначна. Тому їх попередньо прискорюють у гравітаціях. та магн. полях, механіч. ударом від поверхонь, що рухаються, або за допомогою непружного розсіювання на ядрах H. Відображення нейтрону стає несуттєвим, якщо детектор рухається назустріч нейтронам зі швидкістю, набагато перевищує швидкості нейтронів. При цьому детектуються нейтрони скільки завгодно малих енергій, тобто практично "стоячі" нейтрони з h
Детектування нейтронів надвисоких енергій (> 1 ГеВ) здійснюється т.з. адронним калориметром із встановленим перед ним магнітом, поле якого "очищає" пучок нейтронів від фону заряд. частинок. Імпульс від калориметра пропорц. з роздільною здатністю по енергії при h
100%. Ідентифікація нейтрону відбувається зі спрацьовування схеми антизбігів калориметра із встановленим перед ним детектором заряд. частинок (сцинтилятор, пропорц. камера і т. д.) і за формою зливи (ел - магн. зливи, викликані g-квантами таких же енергій, значно щільніше і вже адронних, див. Іонізаційний калориметр).
Просторовий розподіл нейтронів вимірюється системами ідентичних H. д. або детекторами, в яких брало координата попадання нейтрону визначається по амплітуді, фронту або тривалості електрич. сигналу. Такі системи бувають одно- і багатовимірні та оснащуються малими ЕОМ.
Літ. див. при ст. Детектори, Нейтронна фізика.