нейтронные детекторы

НЕЙТРОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ - приборы для регистрации и определения энергетич. спектра нейтронов. Нейтроны не обладают электрич. зарядом и не оставляют после себя следов (треков) из ионизир. и возбуждённых частиц, появление к-рых вызывает срабатывание большинства детекторов частиц. Поэтому H. д. всегда содержит нек-рое вещество - радиатор (конвертер), ядра к-рого при взаимодействии с нейтронами порождают заряж. частицы или g-кванты. Для детектирования нейтронов используются разл. виды взаимодействия нейтронов с ядрами.

Упругое рассеяние нейтронов на ядрах. Нейтроны, упруго рассеивающиеся на ядрах, передают им кине-тич. энергию (энергию отдачи), к-рая зависит от параметра удара, массы ядра и энергии налетающего нейтрона. Для лёгких ядер (¹H, ²H, Не) доля передаваемой энергии высока. При центр. ударе нейтрон передаёт протону всю энергию. Для регистрации ядер отдачи используются обычно пропорциональные счётчики, наполненные H₂, CH₄ и ⁴He до давлений p в неск. атмосфер. Их эффективность h невелика (h ~ 10^-2 - 10^-4 для ~ 0,01-20 МэВ). Этим методом можно регистрировать только нейтроны с неск. десятков кэВ, т. к. слабую ионизацию от ядер отдачи трудно выделить над шумами аппаратуры и фоном от g-квантов. Для восстановления спектра регистрируемых нейтронов необходимо измерять помимо энергии протона угол между траекториями нейтрона и протона. Это осуществляется в трековых детекторах - пропорц. и пузырьковых камерах, годоскопах счётчиков, фотоэмульсиях и т. д.

Для детектирования нейтронов больших энергий обычно используются сцинтилляциоииые детекторы с органич. сцинтилляторами (содержащие много водорода) значит. размеров, в к-рых пробеги протонов отдачи l велики (напр., при ~ 100 МэВ в воде l = = 10 см). Спектры нейтронов больших энергий измеряются по отклонению протонов отдачи в магн. поле. Однако этот метод пригоден только для интенсивных потоков нейтронов, т. к. толщина радиатора должна быть мала, чтобы в нём протоны отдачи не испытывали заметного торможения; достаточно малым должен быть и используемый телесный угол, в к-ром протоны вылетают из радиатора. Для ~ 1 ГэВ регистрация нейтронов по протонам отдачи становится малоэффективной, т.к. сечение упругого рассеяния, продолжая монотонно падать, становится меньше сечения множественного рождения частиц (см. Множественные процессы).

Ядерные реакции с вылетом заряженных частиц.

Для детектирования нейтронов обычно применяют 3 реакции (табл.).

Сечение захвата s и суммарная энергия Q заряженных частиц для =25,3 мэВ

Пробеги l в веществе a-частиц и протонов малы, поэтому ядра ³He, ⁶Li, ¹⁰B обычно вводятся внутрь газоразрядных, сцинтилляц. и др. детекторов. Иногда радиатор в виде твёрдого хим. соединения ¹⁰B наносится тонким слоем на внутр. поверхность газоразрядного детектора, однако из-за сильного поглощения ядер ⁷Li и a-частиц в самом радиаторе такие H. д. по эффективности уступают детекторам, наполненным газообразными радиаторами ¹⁰BF₃, ¹⁰BCH₃, ³He. Из-за "прилипания" электронов к ионам не удаётся создать газовый H. д. с p > 1 атм. Исключение - H. д. с ³He (р <= 10 атм), к-рые имеют h 100% для тепловых нейтронов.

Цилиндрич. газоразрядные H. д. работают в режимах ионизационной камеры, пропорционального счётчика, Гейгера счётчика и др. Наиб. распространён пропорц. режим, т. к. он позволяет отделить по амплитуде импульсы нейтрона от обычно сопутствующего фона g-квантов. Импульс на выходе H. д. (амплитуда I ~ 10 мВ, длительность переднего фронта 1 мкс) запаздывает относительно момента захвата нейтрона на время дрейфа электронов в газе до анода (5 мкс), что определяет разрешающее время т H. д.

С увеличением эффективность падает: h ~ для 0,1 МэВ. Поэтому при регистрации быстрых нейтронов H. д. окружаются водородсодержащим веществом, в к-ром происходит замедление нейтронов (это увеличивает т до 50 мкс). В счётчике Хансена - Мак-Киббена подбором конфигурации замедлителя достигается практически постоянная h в диапазоне ~ ~10 кэВ - 5 МэВ. Энергию детектируемых нейтронов в диапазоне энергии 0,1-2 МэВ можно определить с помощью пропорционального счётчика, наполненного ³He по смещению пика амплитудного распределения, соответствующего энергии, выделяемой при реакции ³He (n, р)³Н, Q = 0,764 МэВ.

При высоких плотностях ³He для регистрации p и t пользуются сцинтилляц. детектором, причём сцин-тиллятором служит сам ³He. Это приводит и к сокращению т до 10 нc. Сцинтилляц. метод применяется и для регистрации продуктов реакций ¹⁰B(n,a)⁷Li, ⁶Li(n, a)³H. При этом порошок ¹⁰B или соединения ⁶Li смешиваются с порошком сцинтиллятора ZnS (Ag). T. к. такая смесь слабопрозрачна, то её можно использовать только в тонких слоях, т. е. для тепловых нейтронов. Более прозрачны борсодержащие жидкие и пластич. сцинтилляторы и литиевые стёкла.

Деление ядер под действием нейтронов. Разлетающиеся осколки деления, обладая большой энергией (~80 МэВ на 1 осколок), образуют на выходе H. д. импульс с амплитудой в 50-100 раз большей, чем в предыдущих случаях. Радиаторами служат ²³³U (сечение деления для тепловых нейтронов s_f = 533 барн), ²³⁵U (s_f = 580 барн), ²³⁹Pu (s_f = 750 барн). Внутр. поверхность ионизац. камеры покрывается тонким слоем делящихся веществ (камера деления). T. к. пробег осколков в радиаторе мал (8 мг^.см^-2), то даже для толстого слоя ²³⁵U эффективность h <= 0,1% для тепловых нейтронов. Для увеличения h камеры делаются многослойными (до 20 слоев). Для снижения собств. фона от спонтанного a-распада делящихся ядер оптимизируют давление газа в камере и расстояние между электродами (пробеги l у осколков меньше, чем у a-частиц, и плотность ионизации для них в начале трека больше, чем в конце, а для a-частиц - наоборот). Для медленных нейтронов h ~ и имеет резонансные максимумы в области ~ 0,5-100 эВ. Для быстрых нейтронов эффективность камер деления ещё меньше (~10^-5 на 1 слой). Быстрые нейтроны удобнее регистрировать радиаторами из ²³⁸U или ²³²Th, у к-рых s_f для тепловых нейтронов <10^-5 барн (см. Деление ядер).

Наиб. простой способ регистрации осколков и их пространств. распределений - по дефектам образованных осколками в приповерхностных слоях нек-рых твёрдых прозрачных материалах (см. Диэлектрический детектор). T. к. эффективность у камер деления низкая, они используются для детектирования интенсивных потоков нейтронов, напр. в системах управления ядерными реакторами.

Радиационный захват нейтронов (n, g) стабильными ядрами (практически всеми и при любых ) сопровождается мгновенным g-излучением (т ~ 10^-14 с). При ~ 1 - 10 МэВ H. д. имеет радиатор, содержащий ядра с большим сечением реакции (n, g), окружённый сцинтилляц. детекторами g-лучей. Нейтроны с до неск. десятков кэВ детектируют по мягким g-лучам ( = 478 кэВ) от реакции ¹⁰B(n, ag)⁷Li. Регистрация g-квантов позволяет использовать толстые радиаторы; h ~ 1%. Для резонансных нейтронов удобен H. д. с радиатором, содержащим смесь ядер лантаноидов, обладающих большим сечением s(n, g), с небольшим кол-вом воды. Замедление нейтронов в воде позволяет сгладить зависимость h(), имеющую без воды вид частокола из множества отд. максимумов (нейтронные резонансы, см. Нейтронная спектроскопия ).Ядра лантаноидов после захвата нейтрона излучают каскад g-квантов. Это позволяет, включив отд. секции сцинтилляц. детектора g-квантов в схему совпадений, снизить фон при h ~ 30% и т ~ 10^-6-10^-7 с.

Радиоактивные индикаторы. Захват нейтрона стабильными ядрами часто приводит к образованию b-ак-тивных ядер. Облучённые нейтронами вещества (индикаторы) в виде тонких фольг (Au, In, Ag, Cu и т. д.) помещаются перед детектором b-частиц. Если период полураспада T_1/2 значительно больше времени облучения индикатора, то по величине b-активности можно определить кол-во нейтронов, попавших в индикатор за время облучения. Измерения абс. b-активности требуют знания телесного угла, поглощения и рассеяния b-частиц в самом индикаторе и стенках детектора. Для относит. измерений нейтронных потоков достаточно ограничиться измерениями b-активностей индикаторов в тождеств. условиях. Так измеряют, напр., пространств. распределение нейтронов в активной зоне реактора. Для измерения интенсивности слабых нейтронных потоков пользуются радиохимич. методом, основанном на Сциларда - Чалмерса эффекте. Для детектирования быстрых нейтронов используются реакции (n, p); (n, 2 n); (n, a), пороги к-рых ~10 МэВ, а сечения ~0,5 барна, приводящие к образованию b-активных ядер. Бета-распад короткожи-вущих ядер радиатора (T_1/2 1c) вызывает электрич. ток в т. н. датчиках прямой зарядки, применяемых для детектирования интенсивных потоков нейтронов.

Детектирование ультрахолодных нейтронов ( < < 5-10^-8 эВ) затруднено тем, что такие нейтроны эффективно отражаются от поверхности радиаторов, проникая вглубь на малую глубину (~150 ), на к-рой вероятность захвата нейтрона незначительна. Поэтому их предварительно ускоряют в гравитац. и магн. полях, механич. ударом от движущихся поверхностей или с помощью неупругого рассеяния на ядрах H. Отражение нейтрона становится несущественным, если детектор движется навстречу нейтронам со скоростью, намного превышающей скорости нейтронов. При этом детектируются нейтроны сколь угодно малых энергий, т. е. практически "стоячие" нейтроны с h ~ 100% (см. Ультрахолодные нейтроны).

Детектирование нейтронов сверхвысоких энергий (> 1 ГэВ) осуществляется т. н. адронным калориметром с установленным перед ним магнитом, поле к-рого "очищает" пучок нейтронов от фона заряж. частиц. Импульс от калориметра пропорц. с разрешением по энергии при h ~ 100%. Идентификация нейтрона происходит по срабатыванию схемы антисовпадений калориметра с установленным перед ним детектором заряж. частиц (сцинтиллятор, пропорц. камера и т. д.) и по форме ливня (эл--магн. ливни, вызванные g-квантами таких же энергий, значительно плотнее и уже адронных, см. Ионизационный калориметр).

Пространственное распределение нейтронов измеряется системами идентичных H. д. или детекторами, в к-рых координата попадания нейтрона определяется по амплитуде, фронту или длительности электрич. сигнала. Такие системы бывают одно- и многомерные и оснащаются малыми ЭВМ.

Лит. см. при ст. Нейтронная физика, Детекторы.

А. В. Стрелков.

   <<      Предметный указатель      >>