Научные инструменты, приборы, установки

Нейтронные детекторы

Нейтро́нные дете́кторы, приборы для регистрации потока , а также отдельных нейтронов. Нейтрон не имеет электрического заряда и не может непосредственно или атомы. Поэтому нейтронные детекторы всегда содержат некоторое вещество (называемое радиатором или конвертером), ядра которого при взаимодействии с нейтроном порождают заряженные частицы или , которые затем традиционными методами регистрации . В нейтронных детекторах используются различные виды взаимодействий нейтронов с ядрами радиатора: упругое , ядерные реакции 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 H2\text{H}_2, CH4\text{CH}_4 и He\text{He} до давления 1–5 атм. Эффективность таких нейтронных детекторов составляет 0,01–1,0% для нейтронов с энергией E=0,0120ℰ =0,01–20 МэВ. Для нейтронов высоких энергий, образующих ядра отдачи с большим пробегом, применяются детекторы с твёрдыми или жидкими водородосодержащими .

Для регистрации с E<1ℰ < 1 эВ используются ядерные реакции захвата нейтронов ядрами радиатора (3He^3\text{He}, 6Li^6\text{Li} и 10ZB^{10}\text{ZB}) с последующим вылетом заряженных частиц. Вещество радиатора либо заполняет газоразрядный детектор (при использовании 3He^3\text{He} или газового соединения 10B^{10}\text{B}), либо наносится на его внутреннюю поверхность (6Li^6\text{Li} или 10B^{10}\text{B}). Эффективность детектора, заполненного 3He^3\text{He}, для тепловых нейтронов с E0, ⁣025ℰ \approx 0,\!025 эВ близка к 100%. С увеличением энергии нейтрона эффективность такого нейтронного детектора падает, поэтому для регистрации детектор окружают слоем водородосодержащего вещества, в котором быстрые нейтроны предварительно замедляются.

Если радиаторами служат урана и , 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 233U^{233}\text{U}, 235U^{235}\text{U}, 239Pu^{239}\text{Pu}, для быстрых нейтронов с E>1ℰ >1 МэВ применяют 236U^{236}\text{U}, 238U^{238}\text{U}, 232Th^{232}\text{Th} . Осколки регистрируют при помощи , 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 γ\gamma-излучению и широко используются в системах управления ядерными реакторами.

Захват нейтронов стабильными ядрами сопровождается испусканием γγ-квантов (с энергией 1–10 МэВ), которые регистрируются . 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 β \beta -активных ядер. Если период полураспада β \beta -активных ядер больше времени облучения индикатора нейтронами, то по величине β\beta -активности индикатора можно определить количество нейтронов, попавших в индикатор за время облучения. Для регистрации медленных нейтронов используются индикаторы из Ag, Au, In\text{Ag, Au, In}, для быстрых нейтронов – из Ni, Cu\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. с E<2107ℰ <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>1ℰ >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 , в основном . 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 , , неразрушающем контроле).

  • Типы детекторов для регистрации частиц
  • Приборы и методы экспериментальной физики