Нейтронные детекторы

Нейтро́нные дете́кторы, приборы для регистрации потока нейтронов, а также отдельных нейтронов. Нейтрон не имеет электрического заряда и не может непосредственно ионизировать или возбуждать атомы. Поэтому нейтронные детекторы всегда содержат некоторое вещество (называемое радиатором или конвертером), ядра которого при взаимодействии с нейтроном порождают заряженные частицы или гамма-кванты, которые затем детектируются традиционными методами регистрации ионизирующего излучения. В нейтронных детекторах используются различные виды взаимодействий нейтронов с ядрами радиатора: упругое рассеяние нейтронов, ядерные реакции захвата нейтрона и деления тяжёлых ядер.

При упругом рассеянии нейтроны передают свою кинетическую энергию ядрам радиатора. Эти т. н. ядра отдачи регистрируются чаще всего газоразрядными детекторами, наполненными $\text{H}_2$, $\text{CH}_4$ и $\text{He}$ до давления 1–5 атм. Эффективность таких нейтронных детекторов составляет 0,01–1,0% для нейтронов с энергией $ℰ =0,01–20$ МэВ. Для нейтронов высоких энергий, образующих ядра отдачи с большим пробегом, применяются детекторы с твёрдыми или жидкими водородосодержащими сцинтилляторами.

Для регистрации медленных нейтронов с $ℰ < 1$ эВ используются ядерные реакции захвата нейтронов ядрами радиатора ($^3\text{He}$, $^6\text{Li}$ и $^{10}\text{ZB}$) с последующим вылетом заряженных частиц. Вещество радиатора либо заполняет газоразрядный детектор (при использовании $^3\text{He}$ или газового соединения $^{10}\text{B}$), либо наносится на его внутреннюю поверхность ($^6\text{Li}$ или $^{10}\text{B}$). Эффективность детектора, заполненного $^3\text{He}$, для тепловых нейтронов с $ℰ \approx 0,\!025$ эВ близка к 100%. С увеличением энергии нейтрона эффективность такого нейтронного детектора падает, поэтому для регистрации быстрых нейтронов детектор окружают слоем водородосодержащего вещества, в котором быстрые нейтроны предварительно замедляются.

Если радиаторами служат изотопы урана и трансурановых элементов, то взаимодействие с нейтронами приводит к делению ядер с образованием двух разлетающихся осколков большой энергии (около 80 МэВ на осколок). Ионизация, вызванная осколками, создаёт электрический импульс в 50–100 раз больший, чем импульс, созданный частицами, вылетающими из борных и литиевых нейтронных детекторов. Для детектирования медленных нейтронов радиаторами служат ядра $^{233}\text{U}$, $^{235}\text{U}$, $^{239}\text{Pu}$, для быстрых нейтронов с $ℰ >1$ МэВ применяют $^{236}\text{U}$, $^{238}\text{U}$, $^{232}\text{Th}$ . Осколки регистрируют при помощи ионизационной камеры, внутреннюю поверхность которой покрывают тонким слоем радиатора. Т. к. пробег осколков в радиаторе очень мал, эффективность таких нейтронных детекторов для регистрации тепловых нейтронов составляет менее 0,1%, а для быстрых нейтронов 0,01–0,001%. Ионизационные камеры практически нечувствительны к $\gamma$-излучению и широко используются в системах управления ядерными реакторами.

Захват нейтронов стабильными ядрами сопровождается испусканием $γ$-квантов (с энергией 1–10 МэВ), которые регистрируются сцинтилляционным детектором. Нейтронные детекторы такого типа с радиаторами из РЗЭ применяются для регистрации нейтронов с энергией до 10 кэВ и длительностью импульса 10^–6–10^–7 с. Эффективность таких нейтронных детекторов составляет около 30%.

Ещё одним методом детектирования нейтронов является т. н. метод радиоактивных индикаторов. В этом методе захват нейтронов ядрами радиатора (в данном случае его называют индикатором) приводит к образованию $\beta$-активных ядер. Если период полураспада $\beta$-активных ядер больше времени облучения индикатора нейтронами, то по величине $\beta$-активности индикатора можно определить количество нейтронов, попавших в индикатор за время облучения. Для регистрации медленных нейтронов используются индикаторы из $\text{Ag, Au, In}$, для быстрых нейтронов – из $\text{Ni, Cu}$. Этот метод применим для точных измерений нейтронных потоков и пространственного распределения нейтронных полей в широком диапазоне энергий нейтронов.

Детектирование очень медленных, т. н. ультрахолодных нейтронов с $ℰ <2·10^{–7}$ эВ затруднено тем, что такие нейтроны полностью отражаются от поверхности вещества радиатора и не могут вступать в ядерные реакции. Для преодоления энергетического барьера радиатора ультрахолодные нейтроны предварительно ускоряют (механическим ударом о движущуюся поверхность, гравитационным полем Земли, градиентом магнитного поля либо с помощью неупругого рассеяния на лёгких ядрах). Это позволяет с эффективностью около 90% регистрировать нейтроны минимальной энергии (т. е. практически «стоячие» нейтроны).

Детектирование нейтронов сверхвысоких энергий с $ℰ >1$ ГэВ с эффективностью около 100% осуществляется т. н. адронным калориметром. В нём радиатором служат массивные пластины из свинца или железа, в которых происходит множественное рождение лёгких адронов, в основном пи-мезонов. Суммарная потеря энергии этих вторичных частиц в калориметре пропорциональна энергии регистрируемого нейтрона. Поскольку сигналы, поступающие от калориметра при попадании в него нейтрона или протона, практически неразличимы, идентификация нейтрона происходит по срабатыванию схемы антисовпадений калориметра с установленным перед ним детектором заряженных частиц (сцинтиллятор, пропорциональная камера и т. д.).

Нейтронные детекторы применяются в ядерно-физических исследованиях и имеют практическое приложение (например, в нейтронном каротаже, нейтронографии, неразрушающем контроле).