Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

НЕЙТРО́ННЫЕ ДЕТЕ́КТОРЫ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 22. Москва, 2013, стр. 318-319

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. В. Стрелков

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).

Лит.: Экс­пе­ри­мен­таль­ная ядер­ная фи­зи­ка / Под ред. Э. Сег­ре. М., 1955. Т. 2; Low energy neutrons and their interaction with nuclei and matter. B., 2000. Pt. 1.

Вернуться к началу