Способы регистрации нейтронов.

Нейтроны могут детектироваться только с помощью вторичных заряженных частиц, которые они производят, взаимодействуя с веществом. Вторичные частицы должны иметь энергию, достаточную для создания ионизации, детектируемой измерительным устройством.

Вторичными заряженными частицами могут быть протоны, возникающие в результате соударений нейтронов с ядрами водорода, альфа-частицы, возникающие при (n,α)-реакциях нейтронов с легкими ядрами (¹⁰В, ⁶Li). В результате реакций радиационного захвата нейтронов возникают радиоактивные ядра, при распадах которых испускаются β-частицы и γ-кванты. Нейтроны вызывают деление тяжелых ядер с образованием многозарядных ионов (осколков деления) и гамма-излучения.

Таким образом существует много разных возможностей детектирования нейтронов путем регистрации частиц и излучений. Мы рассмотрим наиболее распространенные в настоящее время типы детекторов радиоактивных излучений, используемые для экспериментов в нейтронной физике и других измерениях на реакторах, связанных с управлением реактором, обеспечением радиационной безопасности персонала, контролем за ядерными материалами и т.д.

Газовые ионизационные камеры.

При прохождении заряженных частиц в газах происходит ионизация, образуются электроны и ионы. Если это происходит между электродами, то в результате движения зарядов в цепи возникает ток.

При малой напряженности электрического поля в объеме величина тока не зависит от напряжения и пропорциональна числу образовавшихся зарядов. В этом случае детектор называется ионизационной камерой.

При более высоком напряжении в результате вторичной ионизации происходит усиление первичного ионизационного эффекта. В этом случае ток в цепи зависит от напряжения и пропорционален заряду, созданному частицей. Такой детектор называют пропорциональным счетчиком. При дальнейшем увеличении напряжения каждая частица, попавшая в детектор, вызывает электрический заряд. Такой прибор называют газоразрядным счетчиком.

Ионизационные камеры. Ионизационные камеры имеют разную форму и объем (от долей см³ до сотен м³). Минимальный ток, который можно измерить в камере: примерно 10^-18 А/см³. Такой ток создает космическое излучение и излучения природных радиоактивных материалов. Кроме того, существует ток утечки до поверхности изоляторов. С помощью специальных мер ток утечки можно снизить до уровня природного фона.

Импульсные ионизационные камеры. С помощью импульсной камеры можно измерять не только число частиц и их распределение во времени, но и распределение по энергии. Такая камера может регистрировать частицы как отдельные события, если интервалы времени между ними больше, чем время сбора носителей зарядов на электродах.

Камеры деления – детекторы нейтронов, в которых первичную ионизацию производят осколки деления, образующиеся в результате взаимодействий нейтронов с делящимся материалом, нанесенным на электрод.

Проблемы: фоновый ток от альфа-частиц, возникших при распадах делящегося материала (особенно при использовании Pu).

Короткие пробеги осколков деления ограничивают толщину слоя делящегося материала. Временные характеристики регистрирующей системы должны обеспечить малую вероятность наложений импульсов от альфа-частиц (укорачивание импульсов путем их дифференцирования). Давление газа (аргона) такое, чтобы обеспечить полное поглощение осколков деления в чувствительном объеме, а альфа-частицы тратят лишь часть энергии, уходя на стенки камеры.

На следующем рисунке показано амплитудное распределение импульсов от камеры деления. Шум и импульсы от альфа-частиц в области А. В области В устанавливают порог дискриминации импульсов малой амплитуды. Импульсы от осколков: С – тяжелые ядра, D – легкие осколки.

Счетчик с газовым усилением. При высокой напряженности поля электроны между соударениями могут приобретать энергию достаточную для ионизации атомов газа, что ведет к росту тока и амплитуды импульса (так называемое газовое усиление). Коэффициент газового усиления определяется следующим образом:

μ=(число пар носителей возникших в детекторе)/(число пар носителей созданных частицей).

Для осуществления вторичной ионизации нужно, чтоб электрон в промежутках между соударениями получил энергию достаточную для ионизации. Например, если длина свободного пробега между соударениями в водороде равняется 10^-3 см, а для ионизации требуется энергия ≥15 эВ, то для создания вторичной ионизации нужна напряженность поля 1,5 10⁴ В/см. Условие легко выполнимо в цилиндрическом счетчике с тонкой центральной нитью. Вблизи нити, где напряженность велика, возникает электрон-ионная лавина.

Газоразрядные счетчики. С увеличением напряжения коэффициент газового усиления растет, большое значении приобретает фотоионизация. При определенном напряжении зажигается газовый разряд. Ток через детектор ограничен, т.к. объемный заряд около нити уменьшает напряженность поля вблизи нити (саморегулирование разрядного тока). Разряд зажигается, если в объеме детектора появляется хотя бы один электрон. Если напряжение на детекторе поддерживать, то разряд будет гореть.

При прохождении через детектор заряженной частицы образуются электроны и ионы. Электроны за 10^-7-10^-8 с достигают нити, образуют вторичные электроны и ионы и возбуждают молекулы газа. Эти молекулы испускают коротковолновое излучение, которое выбивает фотоэлектроны из катода и атомов газа. Разряд охватывает высь детектор. Ионы практически остаются на месте – их подвижность мала. Вокруг нити образуется чехол из ионов, который снижает напряженность поля, прекращая образование новых лавин. В счетчике горит коронный разряд. Коронный разряд можно использовать для регистрации частиц, если создавать условия для его гашения. Однако при прекращении разряда детектор готов снова к регистрации только через 10^-3 с, а это слишком долго.

Самогасящиеся счетчики. С добавкой специальных примесей (Ar 90%, пары спирта 10%) – в них разряд заканчивается после одной лавины, независимо от потенциала сигнала на счетчике. Такой детектор имеет ограниченный срок службы – выдерживает 10⁹-10¹⁰ имп. Чаще применяют счетчики, наполненные инертными газами с малой (примерно 0,1%) примесью галоидов (Cl₂, Br₂, I₂), которые обладают свойствами гашения (галогенные счетчики).

Мертвое время: после каждого разряда счетчик некоторое время остается нечувствительным.

Эффективность: для возникновения разряда достаточно одной пары ионов. Для регистрации заряженных частиц счетчики должны иметь тонкие стенки или специальные окна.

Для регистрации гамма-квантов делали счетчики с толстыми стенками, где образовывались электроны, которые затем достигали чувствительного объема счетчика.

Газоразрядные счетчики используют для регистрации нейтронов. Нейтроны регистрируются в результате упругого рассеяния на ядрах газа. Эффективность регистрации примерно 10^-4 и еще ниже для быстрых нейтронов. Эффективность для быстрых нейтронов можно повысить , окружив счетчик замедляющим нейтроны материалом (радиаторы делают из оргстекла, плекса, парафина).

Пропорциональные счетчики имеют коэффициент газового усиления 10²-10³, что позволяет для регистрации импульсов использовать электронные системы с меньшим усилением. Время нарастания импульса в пропорциональных счетчиках короче, чем в ионизационных камерах, что позволяет увеличить скорость счета без наложения импульсов. Для детектирования медленных нейтронов используют камеры и счетчики, наполненные газом BF₃.

Сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляторы – вещества, в которых под действием заряженных частиц или излучений возникают фотоны видимой или ультрафиолетовой части спектра. Кроме того они слабо поглощают эти собственные излучения.

Вторая часть сцинтилляционного детектора – фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают электроны. Под действием электрического поля эти электроны направляются на диноды ФЭУ, где происходит вторичная электронная эмиссия, в результате на анод ФЭУ приходит в 10⁴-10⁷ раз больше электронов, чем вылетело с фотокатода. Возникает электрический импульс, который регистрируется.

После попадания в сцинтиллятор ионизирующей частицы интенсивность флюоресценции затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизни возбужденных молекул. Электронный заряд, собираемый на аноде ФЭУ, экспоненциально возрастает с той же постоянной времени. Таким образом, время высвечивания определяет минимальную длительность сигнала и, следовательно, разрешающую способность детектора. Лучшее разрешающее время можно получить с жидким сцинтиллятором (3 10^-9 с), стильбеном (6 10^-9 с), для NaJ примерно 2 10^-9 с.

Наибольшее распространение имеют монокристаллы галоидов щелочных металлов: NaJ, CsJ, LiJ с добавками активаторов. Галоидные соединения гигроскопичны, требуется защита кристаллов от атмосферной влаги.

Органические сцинтилляторы изготавливают в виде монокристаллов (стильбен, антрацен), а также из жидких и твердых растворов. Ароматических углеводородов в растворителе.

Полупроводниковые детекторы (ППД). ППд можно представить в виде ионизационной камеры с твердым веществом между электродами. При поглощении ионизирующего излучения образуются носители электрических зарядов (электроны и дырки), которые под действием электрического поля собираются на электродах.

ППД имеют важные преимущества перед ионизационными камерами:

· Плотность вещества в чувствительном объеме в 10³ раз выше, поэтому выше эффективность;

· Более высокая разрешающая способность.

Другие достоинства – линейная связь между амплитудой сигнала и энергией регистрируемого излучения, короткий фронт сигнала.

Требования к материалу ППД:

· Малый расход энергии на создание пары носителей заряда;

· Отсутствие рекомбинации и захвата носителей заряда;

· Большие и близкие по величине подвижности носителей заряда;

· Высокое удельное сопротивление.

Чем меньше расход энергии на создание пары носителей заряда, тем больше образуется носителей , тем больше вырабатывается сигнал и тем меньще относительная флуктуация величины сигнала, от которой зависит разрешение. У ППД есть средняя энергия образования пары носителей примерно в 10 раз меньше, чем у газовых камер, и в 100 раз меньше, чем у сцинтилляторов.

Чем выше подвижность носителей, тем лучше временные характеристики детектора. Если подвижности электронов и дырок равны, то амплитуда сигнала не зависит от места образования носителей в объеме детектора.

Любой материал имеет некоторую электропроводность. При включении напряжения возникает постоянный ток через детектор, величина которого флуктуирует – появляется «шум», который мешает измерению полезных сигналов. Требуемое значение удельного сопротивления более 10¹⁰ Ом/см.

Всем перечисленным требованиям лучше всего могут удовлетворять кристаллические Si и Ge, хотя их удельные сопротивления меньше чем требуется. (у Si примерно 10⁴ Ом/см, у Ge 10 Ом/см). Поэтому повышают их удельное сопротивление, путем охлаждения.