Обнаружение нейтронов - Neutron detection

Наука с нейтронами
Neutron.svg
Фонды
Рассеяние нейтронов
Другие приложения
Инфраструктура
Нейтронные объекты

Обнаружение нейтронов - это эффективное обнаружение нейтронов, попадающих в хорошо расположенный детектор . Есть два ключевых аспекта эффективного обнаружения нейтронов: аппаратное и программное обеспечение. Аппаратное обеспечение обнаружения относится к типу используемого нейтронного детектора (наиболее распространенным сегодня является сцинтилляционный детектор ) и к электронике, используемой в установке обнаружения. Кроме того, аппаратная установка также определяет ключевые экспериментальные параметры, такие как расстояние источник-детектор, телесный угол и экранирование детектора. Программное обеспечение для обнаружения состоит из инструментов анализа, которые выполняют такие задачи, как графический анализ для измерения количества и энергии нейтронов, попадающих в детектор.

Основы физики

Сигнатуры, по которым нейтрон может быть обнаружен

Атомные и субатомные частицы обнаруживаются по сигнатуре, которую они создают при взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействия являются результатом фундаментальных характеристик частиц.

  • Заряд: нейтроны являются нейтральными частицами и не ионизируются напрямую; следовательно, их труднее обнаружить напрямую, чем заряженные частицы. Кроме того, на их траекторию движения электрические и магнитные поля слабо влияют.
  • Масса: нейтронная масса 1.008 664 9156 (6)  u не поддается непосредственному обнаружению, но влияет на реакции, посредством которых он может быть обнаружен.
  • Реакции: нейтроны реагируют с рядом материалов через упругое рассеяние с образованием ядра отдачи, неупругое рассеяние с образованием возбужденного ядра или поглощение с трансмутацией образовавшегося ядра. Большинство подходов к обнаружению основаны на обнаружении различных продуктов реакции.
  • Магнитный момент: Хотя нейтроны имеют магнитный момент в -1,913 0427 (5)   μ N , методы для обнаружения магнитного момента слишком нечувствительными , чтобы использовать для обнаружения нейтронов.
  • Электрический дипольный момент: предсказано, что нейтрон будет иметь только крошечный электрический дипольный момент , который еще не был обнаружен. Следовательно, это не жизнеспособная сигнатура обнаружения.
  • Распад: Вне ядра, свободные нейтроны нестабильны и имеют среднюю продолжительность жизни в 885,7 ± 0,8 с (около 14 минут 46 секунд). Свободные нейтроны распадаются с испусканием электрона и электронного антинейтрино, чтобы стать протоном, процесс, известный как бета-распад :

п 0
→
п +
+
е -
+
ν
е .
Хотя
п +
а также
е -
вызванные распадом нейтрона, можно обнаружить, скорость распада слишком мала, чтобы служить основой для практической детекторной системы.

Классические варианты обнаружения нейтронов

В результате этих свойств обнаружение нейтронов делится на несколько основных категорий:

  • Абсорбционные реакции с быстрыми реакциями - нейтроны низкой энергии обычно обнаруживаются косвенно через реакции абсорбции. Типичные используемые поглотители имеют высокое поперечное сечение поглощения нейтронов и включают гелий-3 , литий-6 , бор-10 и уран-235 . Каждый из них реагирует испусканием ионизированных частиц высокой энергии, ионизационный след которых может быть обнаружен рядом средств. Обычно используемые реакции включают 3 He (n, p) 3 H, 6 Li (n, t) 4 He, 10 B (n, α) 7 Li и деление урана.
  • Процессы активации. Нейтроны могут быть обнаружены при взаимодействии с поглотителями в результате радиационного захвата , расщепления или аналогичной реакции с образованием продуктов реакции, которые затем распадаются через некоторое время, выделяя бета-частицы или гамма- частицы . Выбранные материалы (например, индий , золото , родий , железо ( 56 Fe (n, p)  56 Mn), алюминий ( 27 Al (n, α) 24 Na),  ниобий ( 93 Nb (n, 2n)  92m Nb), & кремний ( 28 Si (n, p) 28 Al)) имеют чрезвычайно большие сечения захвата нейтронов в очень узком диапазоне энергий. Использование нескольких образцов поглотителя позволяет охарактеризовать энергетический спектр нейтронов. Активация также позволяет воссоздать историческое нейтронное облучение (например, судебно-медицинское воссоздание нейтронного облучения во время аварийной критичности ).
  • Реакции упругого рассеяния (также называемые отдачей протонов). Нейтроны высоких энергий обычно обнаруживаются косвенно через реакции упругого рассеяния . Нейтроны сталкиваются с ядрами атомов в детекторе, передавая энергию этим ядрам и создавая ионы, которые обнаруживаются. Поскольку максимальная передача энергии происходит, когда масса атома, с которым сталкивается нейтрон, сравнима с массой нейтрона, водородсодержащие материалы часто являются предпочтительной средой для таких детекторов.

Типы нейтронных детекторов

Пропорциональные детекторы газа

Пропорциональные детекторы газа могут быть адаптированы для обнаружения нейтронов. Хотя нейтроны обычно не вызывают ионизацию , добавление нуклида с высоким нейтронным поперечным сечением позволяет детектору реагировать на нейтроны. Обычно для этой цели используются нуклиды гелий-3 , литий-6 , бор-10 и уран-235 . Поскольку эти материалы, скорее всего, будут реагировать с тепловыми нейтронами (т.е. нейтронами, которые замедлились до равновесия с окружающей их средой), они обычно окружены замедляющими материалами, чтобы уменьшить их энергию и повысить вероятность обнаружения.

Обычно необходимы дальнейшие уточнения, чтобы отличить нейтронный сигнал от воздействия других типов излучения. Поскольку энергия теплового нейтрона относительно мала, реакции с заряженными частицами являются дискретными (т. Е. По существу моноэнергетическими и лежат в узком диапазоне энергий), в то время как другие реакции, такие как гамма-реакции, будут охватывать широкий диапазон энергий, можно различать среди источники.

Детекторы ионизации газа как класс измеряют количество ( скорость счета ), а не энергию нейтронов.

Пропорциональные детекторы с газовым наполнением 3 He

Изотоп гелия 3 He обеспечивает эффективный материал для детектора нейтронов, поскольку 3 He реагирует путем поглощения тепловых нейтронов, образуя ион 1 H и 3 H. Его чувствительность к гамма-излучению незначительна, что делает его очень полезным детектором нейтронов. К сожалению, поставки 3 He ограничиваются производством в качестве побочного продукта распада трития (период полураспада которого составляет 12,3 года); тритий производится либо в рамках оружейных программ в качестве ускорителя ядерного оружия, либо как побочный продукт работы реактора.

Газонаполненные пропорциональные извещатели BF 3

Поскольку элементарный бор не является газообразным, нейтронные детекторы, содержащие бор, могут альтернативно использовать трифторид бора (BF 3 ), обогащенный до 96% бор-10 (природный бор составляет 20% 10 B, 80% 11 B). Трифторид бора очень токсичен. Чувствительность этого детектора составляет около 35-40 сПс / нВ, в то время как чувствительность покрытого бором составляет около 4 сП / нВ. Это связано с тем, что в футеровке бором n реагирует с бором и, следовательно, образует ионные пары внутри слоя. Следовательно, произведенные заряженные частицы (альфа и литий) теряют часть своей энергии внутри этого слоя. Заряженные частицы низкой энергии не могут достичь газовой среды ионизационной камеры. Следовательно, количество ионизаций, производимых в газе, также меньше.

В то время как в BF3, заполненном газом, N реагирует с B в газе. а полностью заряженные Альфа и Ли способны производить больше ионизаций и давать больше импульсов.

Пропорциональные детекторы с борной футеровкой

В качестве альтернативы, заполненные бором пропорциональные счетчики, заполненные газом, реагируют так же, как и пропорциональные детекторы BF 3, заполненные газом, за исключением того, что стенки покрыты 10 B. В этой конструкции, поскольку реакция происходит на поверхности, только один из две частицы попадут в пропорциональный счетчик.

Сцинтилляционные нейтронные детекторы

Сцинтилляционные детекторы нейтронов включают жидкие органические сцинтилляторы, кристаллы, пластмассы, стекло и сцинтилляционные волокна.

Сцинтилляционные детекторы из стекловолокна, чувствительные к нейтронам

Сцинтилляционное стекло 6 Li для обнаружения нейтронов впервые было сообщено в научной литературе в 1957 году, а ключевые достижения были сделаны в 1960-х и 1970-х годах. Сцинтилляционное волокно было продемонстрировано Atkinson M. et al. в 1987 году, а в конце 1980-х - начале 1990-х годов были достигнуты большие успехи в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, где она была разработана как секретная технология. Он был рассекречен в 1994 году и впервые получил лицензию Oxford Instruments в 1997 году, после чего в 1999 году был передан Nucsafe. В настоящее время волоконно-оптические детекторы производятся и продаются на коммерческой основе Nucsafe, Inc.

Сцинтилляционные стеклянные волокна работают за счет включения 6 Li и Ce 3+ в объемную композицию стекла. 6 Li имеет высокое сечение поглощения тепловых нейтронов через 6 Li (п, & alpha ; ) реакции. Поглощение нейтронов производит ион трития, альфа-частицу и кинетическую энергию. Альфа-частица и тритон взаимодействуют со стеклянной матрицей, вызывая ионизацию, которая передает энергию ионам Ce 3+ и приводит к испусканию фотонов с длиной волны 390–600 нм, когда ионы Ce 3+ в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние. Событие приводит к вспышке света в несколько тысяч фотонов на каждый поглощенный нейтрон. Часть сцинтилляционного света распространяется через стекловолокно, которое действует как волновод. Концы волокон оптически соединены с парой фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) для обнаружения вспышек фотонов. Детекторы могут использоваться для обнаружения как нейтронов, так и гамма-лучей, которые обычно распознаются с помощью дискриминации по высоте импульса. Были предприняты значительные усилия и достигнут прогресс в снижении чувствительности волоконных детекторов к гамма-излучению. Оригинальные детекторы страдали от ложных нейтронов в гамма-поле 0,02 мР. Улучшения дизайна, процесса и алгоритма теперь позволяют работать в гамма-полях до 20 мР / ч ( 60 Co).

Детекторы с сцинтилляционным волокном обладают превосходной чувствительностью, прочностью и быстродействием (~ 60 нс), так что возможен большой динамический диапазон скоростей счета. Детекторы имеют то преимущество, что им можно придать любую желаемую форму, и их можно сделать очень большими или очень маленькими для использования в различных приложениях. Кроме того, они не полагаются на 3 He или какое-либо сырье, доступность которого ограничено, а также не содержат токсичных или регулируемых материалов. Их характеристики соответствуют или превышают характеристики трубок с 3 He для общего счета нейтронов из-за более высокой плотности частиц, поглощающих нейтроны, в твердом стекле по сравнению с газообразным 3 He под высоким давлением . Несмотря на то, что поперечное сечение 6 Li для тепловых нейтронов мало по сравнению с 3 He (940 барн против 5330 барн), атомная плотность 6 Li в волокне в пятьдесят раз больше, что дает преимущество в эффективном коэффициенте плотности захвата примерно 10: 1.

LiCaAlF 6

LiCaAlF 6 представляет собой нейтронно-чувствительный неорганический сцинтилляторный кристалл, который, как и чувствительные к нейтронам сцинтилляционные детекторы из стекловолокна, использует захват нейтронов 6 Li. Однако, в отличие от сцинтилляционных детекторов из стекловолокна, 6 Li является частью кристаллической структуры сцинтиллятора, что придает ему естественную высокую плотность 6 Li. Добавляется легирующий агент, чтобы придать кристаллу его сцинтилляционные свойства. Двумя распространенными легирующими добавками являются трехвалентный церий и двухвалентный европий. LiCaAlF 6, легированный европием, имеет преимущество перед другими материалами, заключающееся в том, что количество оптических фотонов, генерируемых на нейтронный захват, составляет около 30 000, что в 5 раз выше, чем, например, в нейтронно-чувствительных сцинтилляционных стеклянных волокнах. Это свойство облегчает распознавание нейтронных фотонов. Благодаря высокой плотности 6 Li, этот материал подходит для производства легких компактных нейтронных детекторов, в результате чего LiCaAlF 6 использовался для обнаружения нейтронов на больших высотах в полетах на воздушных шарах. Большое время распада LiCaAlF 6, легированного Eu 2+, делает его менее подходящим для измерений в средах с высоким уровнем излучения. Вариант с легированным Ce 3+ имеет более короткое время распада, но страдает более низким световыходом.

Нейтрон-гамма-сцинтиллятор с двойным детектированием NaIL

Кристалл йодида натрия, совместно легированный таллием и литием [NaI (Tl + Li)], также известный как NaIL, обладает способностью обнаруживать гамма-излучение и тепловые нейтроны в монокристалле с исключительной дискриминацией формы импульса. Использование низких концентраций 6 Li в NaIL а большие толщины могут обеспечить те же возможности обнаружения нейтронов, что и детекторы 3He, CLYC или CLLB при более низкой стоимости. Совместное легирование 6 Li (с обогащением 95%) обеспечивает эффективное обнаружение тепловых нейтронов в наиболее известном сцинтилляторе гамма-излучения, сохраняя при этом благоприятные сцинтилляционные свойства стандартного NaI (Tl). NaIL может предоставить детекторы одиночного материала большого объема как для гамма-излучения, так и для нейтронов по низкой цене за объем.

Полупроводниковые детекторы нейтронов

Существует два основных типа полупроводниковых детекторов нейтронов, первый из которых представляет собой электронные устройства, покрытые нейтронно-реактивным материалом, а второй - полупроводник, частично состоящий из нейтронно-реактивного материала. Наиболее успешной из этих конфигураций является тип устройства с покрытием, и примером может быть обычный планарный кремниевый диод, покрытый либо 10 В, либо 6 LiF. Этот тип детектора был впервые предложен Бэбкоком и др. Концепция проста. Нейтрон поглощается реакционной пленкой и самопроизвольно испускает энергетические продукты реакции. Продукт реакции может достигать поверхности полупроводника и при попадании в полупроводник образует электронно-дырочные пары. Под действием обратного напряжения смещения эти электроны и дырки проходят через диод для создания наведенного тока, обычно интегрируемого в импульсном режиме для формирования выходного напряжения. Максимальный собственный КПД для устройств с одинарным покрытием составляет примерно 5% для тепловых нейтронов (0,0259 эВ), а конструкция и работа подробно описаны в литературе. Ограничение эффективности регистрации нейтронов является следствием самопоглощения продуктов реакции. Например, пробег в пленке бора α-частиц 1,47 МэВ от реакции 10 B (n, α) 7 Li составляет приблизительно 4,5 микрона, а пробег в LiF тритонов 2,7 МэВ от 10 B (n, α) 7 Реакция Li составляет примерно 28 микрон. Продукты реакции, происходящие на больших расстояниях от границы раздела пленка / полупроводник, не могут достигать поверхности полупроводника и, следовательно, не будут способствовать обнаружению нейтронов. Также были исследованы устройства, покрытые природным Gd, в основном из-за их большого микроскопического сечения на тепловых нейтронах, составляющего 49 000 барн. Однако представляющие интерес продукты реакции Gd (n, γ) - это в основном электроны с низкой конверсией энергии, в основном сгруппированные около 70 кэВ. Следовательно, различение событий, индуцированных нейтронами, и событий гамма-излучения (в основном вызывающих комптоновские рассеянные электроны) для полупроводниковых диодов с покрытием Gd затруднено. Компенсированный пиксельный дизайн пытался решить проблему. В целом, устройства, покрытые 10 B или 6 LiF, являются предпочтительными в основном потому, что продукты реакции с энергичными заряженными частицами намного легче отличить от фонового излучения.

Низкая эффективность планарных диодов с покрытием привела к разработке микроструктурированных полупроводниковых детекторов нейтронов (МСНД). Эти детекторы имеют микроскопические структуры, вытравленные на полупроводниковой подложке, которые впоследствии превращаются в штыревой диод. Микроструктуры засыпаны нейтронно-реактивным материалом, обычно 6 LiF, хотя использовалось 10 B. Увеличенная площадь поверхности полупроводника, прилегающая к реакционному материалу, и повышенная вероятность того, что продукт реакции попадет в полупроводник, значительно увеличивают собственную эффективность обнаружения нейтронов.

Базовая конструкция микроструктурированного полупроводникового детектора нейтронов (МСНД).

Конфигурация устройства MSND была впервые предложена Муминовым и Цвангом, а затем Шелтеном и др. Спустя годы был изготовлен и продемонстрирован первый рабочий образец МСНД, эффективность регистрации тепловых нейтронов тогда составляла всего 3,3%. После этой первоначальной работы MSND достигли эффективности обнаружения тепловых нейтронов более 30%. Хотя MSND могут работать на встроенном потенциале (нулевое приложенное напряжение), они работают лучше всего при приложении 2-3 В. Несколько групп сейчас работают над вариантами MSND. Наиболее удачными являются разновидности с обратной засыпкой материалом LiF 6 . В настоящее время MSND производятся и продаются на коммерческой основе компанией Radiation Detection Technologies, Inc. Сообщалось о продвинутых экспериментальных версиях двусторонних MSND с противоположными микроструктурами на обеих сторонах полупроводниковой пластины с эффективностью обнаружения тепловых нейтронов более 65%, и теоретически они способны более КПД 70%.

Полупроводниковые детекторы, в которых один или несколько составляющих атомов являются нейтронно-реактивными, называются объемными полупроводниковыми детекторами нейтронов. Объемные твердотельные нейтронные детекторы можно разделить на две основные категории: те, которые полагаются на обнаружение продуктов реакции с заряженными частицами, и те, которые полагаются на обнаружение мгновенного захвата гамма-излучения. В целом, этот тип нейтронного детектора сложно изготовить надежно, и в настоящее время он не коммерчески доступен.

Объемные материалы, которые зависят от эмиссии заряженных частиц, основаны на бор- и литийсодержащих полупроводниках. В поисках объемных полупроводниковых детекторов нейтронов материалы на основе бора, такие как BP, BAs, BN и B 4 C, исследовались больше, чем другие потенциальные материалы.

Полупроводники на основе бора в кубической форме трудно выращивать в виде объемных кристаллов, главным образом потому, что для их синтеза требуются высокие температуры и высокое давление. BP и Bas могут разлагаться на нежелательные кристаллические структуры (от кубической до икосаэдрической формы), если они не синтезируются под высоким давлением. B 4 C также образует икосаэдрические звенья в ромбоэдрической кристаллической структуре, что является нежелательным преобразованием, поскольку икосаэдрическая структура имеет относительно плохие свойства сбора заряда, что делает эти икосаэдрические формы непригодными для обнаружения нейтронов.

BN может быть образован в виде простых гексагональных, кубических (цинковая обманка) кристаллов или кристаллов вюрцита, в зависимости от температуры роста, и обычно его выращивают тонкопленочными методами. Это простая гексагональная форма BN, которая наиболее изучена в качестве детектора нейтронов. Методы химического осаждения тонких пленок из паровой фазы обычно используются для получения BP, BA, BN ​​или B 4 C. Эти пленки на основе бора часто выращивают на подложках Si n-типа, которые могут образовывать pn переход с Si и, следовательно, изготовьте Si-диод с покрытием, как описано в начале этого раздела. Следовательно, нейтронный отклик устройства можно легко принять за общий отклик, когда на самом деле это отклик диода с покрытием. На сегодняшний день существует мало свидетельств того, что полупроводники на основе бора производят собственные нейтронные сигналы.

Li-содержащие полупроводники, отнесенные к категории соединений Новотны-Джузы, также были исследованы в качестве объемных детекторов нейтронов. Соединение Новотны-Джуза LiZnAs было продемонстрировано в качестве детектора нейтронов; однако этот материал сложно и дорого синтезировать, и сообщалось только о небольших полупроводниковых кристаллах. Наконец, были исследованы традиционные полупроводниковые материалы с нейтронно-реактивными добавками, а именно Si (Li) детекторы. Нейтроны взаимодействуют с примесью лития в материале и производят энергетические продукты реакции. Однако концентрация легирующей примеси относительно низкая в Si-детекторах с дрейфом Li (или других легированных полупроводниках), обычно менее 10 19 см -3 . При вырожденной концентрации Li порядка 10 19 см -3 блок природного Si (Li) толщиной 5 см будет иметь эффективность регистрации тепловых нейтронов менее 1%, в то время как блок кремния толщиной 5 см будет иметь менее 1%. Детектор ( 6 Li) будет иметь эффективность регистрации тепловых нейтронов всего 4,6%.

Полупроводники, излучающие гамма-излучение, такие как CdTe и HgI 2 , успешно используются в качестве детекторов нейтронов. Эти детекторы основаны на мгновенном гамма-излучении в результате реакции 113 Cd (n, γ) и 114 Cd (с получением гамма-излучения 558,6 кэВ и 651,3 кэВ) и реакции 199 Hg (n, γ) 200 Hg (с получением 368,1 кэВ и 661,1 кэВ). кэВ гамма-лучи). Однако эти полупроводниковые материалы предназначены для использования в качестве спектрометров гамма-излучения и, следовательно, по своей природе чувствительны к фону гамма-излучения. При соответствующем энергетическом разрешении можно использовать различение высоты импульса, чтобы отделить мгновенное гамма-излучение от взаимодействий нейтронов. Однако эффективная эффективность обнаружения нейтронов снижается из-за относительно небольшого комптоновского отношения. Другими словами, большинство событий добавляют к комптоновскому континууму, а не к полному пику энергии, таким образом, затрудняя различение нейтронов и фоновых гамма-лучей. Кроме того, как природный Cd, так и Hg имеют относительно большие сечения тепловых нейтронов (n, γ) 2444 b и 369,8 b соответственно. Следовательно, большая часть тепловых нейтронов поглощается вблизи поверхности детектора, так что почти половина мгновенных гамма-лучей излучается в направлениях от объема детектора и, таким образом, вызывает низкую эффективность реабсорбции или взаимодействия гамма-лучей.

Детекторы нейтронной активации

Образцы активации могут быть помещены в нейтронное поле, чтобы охарактеризовать энергетический спектр и интенсивность нейтронов. Могут быть использованы реакции активации с различными энергетическими порогами, включая 56 Fe (n, p)  56 Mn, 27 Al (n, α) 24 Na,  93 Nb (n, 2n)  92m Nb и 28 Si (n, p) 28. Al.

Детекторы быстрых нейтронов

Быстрые нейтроны часто обнаруживаются путем их замедления (замедления) до тепловых энергий. Однако во время этого процесса информация об исходной энергии нейтрона, его направлении движения и времени испускания теряется. Для многих приложений очень желательно обнаружение «быстрых» нейтронов, которые сохраняют эту информацию.

Типичными детекторами быстрых нейтронов являются жидкие сцинтилляторы, детекторы благородных газов на основе 4-He и пластмассовые детекторы. Детекторы быстрых нейтронов отличаются друг от друга своей 1.) способностью различать нейтроны / гамма-излучения (посредством распознавания формы импульса) и 2.) чувствительностью. Детекторы 4-He на основе благородных газов обладают превосходной способностью различать нейтроны и гамма-излучение из-за их низкой плотности электронов и отличной способности различать форму импульса. Фактически, неорганические сцинтилляторы, такие как сульфид цинка, показали большие различия во времени затухания протонов и электронов; функция, которая была использована путем объединения неорганического кристалла с нейтронным преобразователем (таким как полиметилметакрилат) в микрослоистом детекторе быстрых нейтронов. Такие системы обнаружения способны выборочно обнаруживать только быстрые нейтроны в поле смешанного нейтронно-гамма-излучения, не требуя каких-либо дополнительных методов распознавания, таких как распознавание формы импульса.

Обнаружение быстрых нейтронов ставит ряд особых проблем. Направленный детектор быстрых нейтронов был разработан с использованием множественной отдачи протонов в разделенных плоскостях пластикового сцинтилляционного материала. Регистрируются пути ядер отдачи, образовавшихся при столкновении нейтронов; определение энергии и импульса двух ядер отдачи позволяет рассчитать направление движения и энергию нейтрона, испытавшего упругое рассеяние вместе с ними.

Приложения

Обнаружение нейтронов используется для различных целей. Каждое приложение предъявляет разные требования к системе обнаружения.

  • Контрольно-измерительные приборы реактора: поскольку мощность реактора по существу линейно пропорциональна нейтронному потоку , детекторы нейтронов обеспечивают важную меру мощности в ядерной энергетике и исследовательских реакторах. Реакторы с кипящей водой могут иметь несколько десятков нейтронных детекторов, по одному на тепловыделяющую сборку. Большинство детекторов нейтронов, используемых в ядерных реакторах с тепловым спектром, оптимизированы для обнаружения тепловых нейтронов .
  • Физика плазмы: обнаружение нейтронов используется в экспериментах по физике термоядерной плазмы, таких как JET . Например, обнаруженная скорость нейтронов из плазмы может дать информацию о температуре ионов.
  • Физика элементарных частиц: обнаружение нейтронов было предложено как метод улучшения детекторов нейтрино .
  • Материаловедение: упругое и неупругое рассеяние нейтронов позволяет экспериментаторам охарактеризовать морфологию материалов в масштабах от Ангстрема до одного микрометра .
  • Радиационная безопасность: нейтронное излучение представляет собой опасность, связанную с источниками нейтронов , космическими путешествиями, ускорителями и ядерными реакторами . Нейтронные детекторы, используемые для радиационной безопасности, должны учитывать относительную биологическую эффективность (т. Е. То, как повреждения, вызванные нейтронами, зависят от энергии).
  • Обнаружение космических лучей: вторичные нейтроны являются одним из компонентов ливней частиц, производимых космическими лучами в атмосфере Земли . Для отслеживания изменений потока космических лучей используются специальные наземные нейтронные детекторы, а именно нейтронные мониторы .
  • Обнаружение специальных ядерных материалов: специальные ядерные материалы (SNM), такие как уран-233 и плутоний-239, распадаются путем спонтанного деления с образованием нейтронов. Детекторы нейтронов могут использоваться в коммерческих целях для мониторинга СЯМ.

Экспериментальное обнаружение нейтронов

Эксперименты, в которых используется эта наука, включают эксперименты по рассеянию, в которых должны быть обнаружены направленные нейтроны, а затем рассеянные от образца. Оборудование включает в себя источник нейтронов ISIS в лаборатории Резерфорда Эпплтона , источник нейтронов расщепления в Национальной лаборатории Ок-Ридж и источник нейтронов расщепления (SINQ) в Институте Пауля Шеррера , в котором нейтроны образуются в результате реакции расщепления, и традиционные исследовательские реакторные установки, в которых нейтроны образуются при делении изотопов урана. Среди различных экспериментов по обнаружению нейтронов следует отметить фирменный эксперимент Европейского мюонного сотрудничества , впервые проведенный в ЦЕРНе и теперь называемый «экспериментом EMC». Тот же эксперимент проводится сегодня с более сложным оборудованием для получения более определенных результатов, связанных с исходным эффектом ЭМС .

Проблемы обнаружения нейтронов в экспериментальной среде

Обнаружение нейтронов в экспериментальной среде - непростая наука. Основные проблемы, с которыми сталкивается современное обнаружение нейтронов, включают фоновый шум , высокую скорость обнаружения, нейтронную нейтральность и низкую энергию нейтронов.

Фоновый шум

Основными компонентами фонового шума при обнаружении нейтронов являются фотоны высоких энергий , которые нелегко устранить с помощью физических барьеров. Другие источники шума, такие как альфа- и бета-частицы , можно устранить с помощью различных экранирующих материалов, таких как свинец , пластик, термоуголь и т. Д. Таким образом, фотоны вызывают серьезные помехи при обнаружении нейтронов, поскольку неизвестно, нейтроны или фотоны обнаруживаются детектором нейтронов. Оба регистрируют схожие энергии после рассеяния на детекторе от цели или окружающего света, и поэтому их трудно различить. Обнаружение совпадений также можно использовать для отделения реальных нейтронных событий от фотонов и другого излучения.

Высокие показатели обнаружения

Если детектор находится в области высокой активности луча, на него непрерывно воздействуют нейтроны и фоновый шум с чрезвычайно высокой скоростью. Это запутывает собранные данные, поскольку измерения сильно перекрываются, и отдельные события нелегко отличить друг от друга. Таким образом, часть проблемы заключается в поддержании минимально возможной скорости обнаружения и в разработке детектора, который может не отставать от высоких скоростей для получения когерентных данных.

Нейтральность нейтронов

Нейтроны нейтральны и поэтому не реагируют на электрические поля. Это затрудняет направление их движения к детектору для облегчения обнаружения. Нейтроны также не ионизируют атомы, кроме как путем прямого столкновения, поэтому газовые детекторы ионизации неэффективны.

Изменение поведения в зависимости от энергии

Детекторы, основанные на поглощении нейтронов, обычно более чувствительны к тепловым нейтронам низких энергий и на несколько порядков менее чувствительны к нейтронам высоких энергий. С другой стороны, сцинтилляционные детекторы не могут регистрировать воздействие нейтронов низкой энергии.

Экспериментальная установка и метод

Рисунок 1: Экспериментальная установка

На рис. 1 показаны типовые основные компоненты установки блока детектирования нейтронов. В принципе, диаграмма показывает установку, как это было бы в любой современной лаборатории физики элементарных частиц , но особенности описывают установку в лаборатории Джефферсона ( Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния ).

В этой установке падающие частицы, включая нейтроны и фотоны, попадают в детектор нейтронов; Обычно это сцинтилляционный детектор, состоящий из сцинтилляционного материала , волновода и фотоумножителя (ФЭУ), который будет подключен к системе сбора данных (DAQ) для регистрации деталей обнаружения.

Детектируемый сигнал от нейтронного детектора поступает на блок скейлера, блок стробированной задержки, блок триггера и осциллограф . Блок масштабирования используется просто для подсчета количества поступающих частиц или событий. Он делает это, увеличивая свой счет частиц каждый раз, когда он обнаруживает всплеск сигнала детектора от нулевой точки. В этом устройстве очень мало мертвого времени , что означает, что независимо от того, насколько быстро приходят частицы, очень маловероятно, что это устройство не сможет подсчитать событие (например, входящую частицу). Низкое мертвое время обусловлено сложной электроникой в ​​этом устройстве, которой требуется немного времени для восстановления после относительно простой задачи регистрации логического высокого уровня каждый раз, когда происходит событие. Блок триггера координирует всю электронику системы и выдает логический высокий уровень этим блокам, когда вся установка готова к записи запуска события.

Осциллограф регистрирует импульс тока при каждом событии. Импульс - это просто ионизационный ток в детекторе, вызванный этим событием, отложенный во времени. Полная энергия падающей частицы может быть найдена путем интегрирования этого импульса тока по времени, чтобы получить общий заряд, нанесенный в конце ФЭУ. Эта интеграция осуществляется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Общий накопленный заряд является прямой мерой энергии ионизирующей частицы (нейтрона или фотона), попадающей в детектор нейтронов. Этот метод интегрирования сигналов является признанным методом измерения ионизации в детекторе в ядерной физике. У АЦП более высокое мертвое время, чем у осциллографа, который имеет ограниченную память и должен быстро передавать события в АЦП. Таким образом, АЦП выбирает для анализа примерно одно из 30 событий с осциллографа. Поскольку типичная частота событий составляет около 10 6 нейтронов в секунду, эта выборка по-прежнему будет накапливать тысячи событий каждую секунду.

Отделение нейтронов от фотонов

АЦП отправляет свои данные в блок сбора данных, который сортирует данные в представленной форме для анализа. Ключ к дальнейшему анализу заключается в различии формы импульса тока ионизации фотона и нейтрона. Фотонный импульс длиннее на концах (или «хвостах»), тогда как нейтронный импульс хорошо центрирован. Этот факт можно использовать для идентификации поступающих нейтронов и для подсчета общей скорости приходящих нейтронов. Шаги, ведущие к этому разделению (те, которые обычно выполняются в ведущих национальных лабораториях, в частности, в лаборатории Джефферсона), - это экстракция стробированных импульсов и построение разницы.

Извлечение стробированных импульсов

Все сигналы ионизационного тока представляют собой импульсы с локальным пиком между ними. Используя логический элемент И в непрерывном времени (имеющий поток импульсов «1» и «0» в качестве одного входа и текущего сигнала в качестве другого), извлекается хвостовая часть каждого импульсного сигнала тока. Этот метод стробированной дискриминации регулярно используется в жидких сцинтилляторах. Блок стробированной задержки предназначен именно для этого и делает задержанную копию исходного сигнала таким образом, чтобы его хвостовая часть была видна рядом с основной частью на экране осциллографа.

После извлечения хвоста выполняется обычное интегрирование тока как для хвостовой части, так и для всего сигнала. Это дает два значения ионизации для каждого события, которые сохраняются в таблице событий в системе сбора данных.

Построение разницы

Рисунок 2: Ожидаемый график зависимости энергии хвоста от энергии в полном импульсе для всех энергий событий. Точки представляют собой числовые плотности событий.

На этом этапе лежит решающий момент анализа: извлеченные значения ионизации наносятся на график. В частности, график отображает вклад энергии в хвосте по сравнению с вкладом энергии во всем сигнале для диапазона энергий нейтронов. Обычно для данной энергии существует много событий с одинаковым значением энергии хвоста. В этом случае нанесенные на график точки просто становятся более плотными с большим количеством перекрывающихся точек на двумерном графике, и, таким образом, их можно использовать для отслеживания количества событий, соответствующих каждому выделению энергии. На графике нанесена значительная случайная доля (1/30) всех событий.

Если извлеченный размер хвоста представляет собой фиксированную долю от общего импульса, то на графике будут две линии с разными наклонами. Линия с большим наклоном будет соответствовать фотонным событиям, а линия с меньшим наклоном - нейтронным событиям. Это происходит именно потому, что ток энерговыделения фотонов, нанесенный на график в зависимости от времени, оставляет более длинный «хвост», чем график отложения нейтронов, давая фотонному хвосту большую долю от общей энергии, чем нейтронным хвостам.

Эффективность любого анализа обнаружения можно увидеть по его способности точно подсчитывать и разделять количество нейтронов и фотонов, попадающих в детектор. Кроме того, эффективность второго и третьего шагов показывает, можно ли управлять частотой событий в эксперименте. Если на вышеуказанных этапах можно получить четкие графики, позволяющие легко разделить нейтрон-фотон, обнаружение можно назвать эффективным, а скорость управляемой. С другой стороны, нечеткость и неразличимость точек данных не позволят легко разделить события.

Контроль скорости

Уровень обнаружения можно поддерживать на низком уровне многими способами. Выборку событий можно использовать для выбора только нескольких событий для анализа. Если скорости настолько высоки, что одно событие невозможно отличить от другого, можно изменять физические параметры эксперимента (экранирование, расстояние от детектора до цели, телесный угол и т. Д.), Чтобы получить самые низкие возможные скорости и, следовательно, различимые события.

Более точные точки обнаружения

Здесь важно наблюдать именно те переменные, которые имеют значение, поскольку на этом пути могут быть ложные индикаторы. Например, ионизационные токи могут иметь периодические сильные всплески, которые не предполагают высоких скоростей, а просто высоких энергозатрат для случайных событий. Эти всплески будут сведены в таблицу и будут рассматриваться с цинизмом, если они неоправданы, тем более что в установке так много фонового шума.

Можно спросить, как экспериментаторы могут быть уверены, что каждый импульс тока в осциллографе соответствует ровно одному событию. Это верно, потому что импульс длится около 50  нс , что позволяет максимально 2 × 10 7 событий каждую секунду. Это число намного выше, чем фактическая типичная скорость, которая , как упоминалось выше, обычно на порядок меньше. Это означает, что наличие двух частиц, генерирующих один импульс тока, маловероятно. Текущие импульсы длятся 50 нс каждый и начинают регистрировать следующее событие после паузы с предыдущим событием.

Хотя иногда этому способствуют более высокие энергии поступающих нейтронов, обнаружение нейтронов, как правило, является сложной задачей по всем причинам, изложенным ранее. Таким образом, улучшенная конструкция сцинтиллятора также находится на переднем плане и является предметом стремления с момента изобретения сцинтилляционных детекторов. Сцинтилляционные детекторы были изобретены Круксом в 1903 году, но не были очень эффективными до тех пор, пока в 1944 году Карран и Бейкер не разработали ФЭУ (фотоэлектронный умножитель). ФЭУ представляет собой надежный и эффективный метод обнаружения, поскольку он увеличивает сигнал обнаружения в десять раз. Несмотря на это, сцинтилляционная конструкция требует улучшений, как и другие варианты обнаружения нейтронов, помимо сцинтилляции.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение