НЕЙТРО́ННЫЕ ДЕТЕ́КТОРЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕЙТРО́ННЫЕ ДЕТЕ́КТОРЫ, приборы для регистрации потока нейтронов, а также отд. нейтронов. Нейтрон не имеет электрич. заряда и не может непосредственно ионизировать или возбуждать атомы. Поэтому Н. д. всегда содержат некоторое вещество (называемое радиатором или конвертером), ядра которого при взаимодействии с нейтроном порождают заряженные частицы или $γ$-кванты, которые затем детектируются традиц. методами регистрации ионизирующего излучения (см. Детекторы частиц). В Н. д. используются разл. виды взаимодействий нейтронов с ядрами радиатора: упругое рассеяние нейтронов, ядерные реакции захвата нейтрона и деления тяжёлых ядер.
При упругом рассеянии нейтроны передают свою кинетич. энергию ядрам радиатора. Эти т. н. ядра отдачи регистрируются чаще всего газоразрядными детекторами, наполненными $\ce{H2, CH4}$ или $\ce{He}$ до давления 1–5 атм. Эффективность таких Н. д. 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 ($\ce{^3He, ^6Li}$ и $\ce{^10B}$) с последующим вылетом заряженных частиц. Вещество радиатора либо заполняет газоразрядный детектор (при использовании $\ce{^3He}$ или газового соединения $\ce{^10B}$), либо наносится на его внутр. поверхность ($\ce{^6Li}$ или $\ce{^10B}$). Эффективность детектора, заполненного $\ce{^3He}$, для тепловых нейтронов с $ℰ\approx 0,\!025$ эВ близка к 100%. С увеличением энергии нейтрона эффективность такого Н. д. 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 (ок. 80 МэВ на осколок). Ионизация, вызванная осколками, создаёт электрич. импульс в 50–100 раз больший, чем импульс, созданный частицами, вылетающими из борных и литиевых Н. д. Для детектирования медленных нейтронов радиаторами служат ядра $\ce{^233U, ^235U, ^239Pu}$, для быстрых нейтронов с $ℰ>1$ МэВ применяют $\ce{^236U, ^238U, ^232Th}$. Осколки регистрируют при помощи ионизационной камеры, внутр. поверхность которой покрывают тонким слоем радиатора. Т. к. пробег осколков в радиаторе очень мал, эффективность таких Н. д. 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. Н. д. 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 Н. д. составляет ок. 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 $β$-активных ядер. Если период полураспада $β$-активных ядер больше времени облучения индикатора нейтронами, то по величине $β$-активности индикатора можно определить количество нейтронов, попавших в индикатор за время облучения. Для регистрации медленных нейтронов используются индикаторы из $\ce{Ag, Au, In}$, для быстрых нейтронов – из $\ce{Ni, Cu}$. 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 энергетич. барьера радиатора ультрахолодные нейтроны предварительно ускоряют (механич. ударом о движущуюся поверхность, гравитац. полем Земли, градиентом магнитного поля либо с помощью неупругого рассеяния на лёгких ядрах). Это позволяет с эффективностью ок. 90% регистрировать нейтроны миним. энергии (т. е. практически «стоячие» нейтроны).
Детектирование нейтронов сверхвысоких энергий с $ℰ>1$ ГэВ с эффективностью ок. 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 $\pi$-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.).
Н. д. применяются в ядерно-физич. исследованиях и имеют практич. приложение (напр., в нейтронном каротаже, нейтронографии, неразрушающем контроле).