Обнаружение нейтронов¶
Обнаружение нейтронов — это совокупность экспериментальных методов регистрации нейтронов, нейтрально заряженных субатомных частиц, не взаимодействующих посредством электромагнитного поля с веществом. Из-за отсутствия заряда нейтроны непосредственно ионизирующими способами не детектируются: для их регистрации необходимо использовать косвенные эффекты — ядерные реакции, рассеяние на ядрах или захват нейтронов с последующей регистрацией вторичных заряженных частиц или гамма-излучения.
¶Основные принципы
Нейтрон обладает нулевым электрическим зарядом, магнитным моментом и временем жизни около 879,4 секунды (для свободного нейтрона), после чего он распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поскольку нейтрон не ионизирует среду напрямую, все методы детектирования сводятся к превращению нейтрона в заряженную частицу или фотон, которые уже легко регистрируются.
Существует деление методов по типу нейтронов:
- Тепловые нейтроны — энергия порядка 0,025 эВ (соответствует комнатной температуре). Лучше всего захватываются ядрами, особенно бора-10, гелия-3, лития-6 и кадмия.
- Эпитермальные нейтроны — энергия от долей эВ до сотен эВ.
- Быстрые нейтроны — энергия выше ~0,1 МэВ. Взаимодействуют преимущественно посредством упругого рассеяния на ядрах.
¶Основные типы детекторов
¶Счётчики Гейгера–Мюллера и ионизационные камеры
Самые простые приборы, однако сами по себе они не чувствительны к нейтронам. Для детектирования нейтронов их помещают в среду-преобразователь: борсодержащие покрытия, пары тритий-гелий или водородсодержащие материалы (парафин, полиэтилен). Быстрые нейтроны, рассеиваясь на водороде, выбивают протоны, которые ионизируют газ в счётчике.
¶Сцинтилляционные счётчики
При взаимодействии нейтрона с ядрами сцинтиллятора возбуждённые ядра испускают световые импульсы, регистрируемые фотоумножителем или фотодиодом. Различают:
- Сцинтилляторы на основе лития-6 (например, LiI(Eu), ZnS(Ag) с LiF) — для тепловых нейтронов через реакцию ⁶Li + n → ³H + α.
- Органические сцинтилляторы (сцентилен, антрацен, пластиковые) — для быстрых нейтронов по отдаче энергии протонам.
- Борсодержащие сцинтилляторы — через реакцию ¹⁰B + n → ⁷Li + α.
¶Счётчики пропорциональные газовые
Наиболее распространённый тип для измерения нейтронного потока. В качестве рабочего газа используется гелий-3 (³He) или тритий (³H) в смеси с аргоном. Реакция захвата:
³He + n → ³H + p + 764 кэВ
Образующиеся заряженные частицы ионизируют газ, а сигнал усиливается пропорциональным разрядом. Счётчики ³He обладают высокой эффективностью для тепловых нейтронов и низким фоном от гамма-излучения. Типичный диаметр трубки — 25 мм, длина — до нескольких метров.
¶Плёнки и пассивные детекторы
Для измерения интегрального нейтронного потока используются:
- Нейтронные плёнки (радиоактивные трековые детекторы) — на основе индия, золота, урана-235. Нейтрон активирует ядра, а последующая регистрация бета-распада определяет дозу.
- Трековые детекторы на основе поликарбоната (CR-39) — фиксируют следы заряженных частиц, возникающих при реакциях с нейтронами.
¶Электронные нейтронные детекторы
Полупроводниковые детекторы на основе кремния с борсодержащими преобразователями, а также криогенные болометры для регистрации отдельных нейтронов в физике низких энергий.
¶Методы регистрации быстрых нейтронов
Быстрые нейтроны детектируются преимущественно по продуктам упругого рассеяния:
- Рассеяние на водороде — протон получает до 100% энергии нейтрона. Регистрация протона в тонком детекторе или по отпечатку в трековом детекторе.
- Реакции (n, α) и (n, p) на лёгких ядрах — ¹⁰B, ⁶Li, ¹⁴N.
- Время пролёта (time-of-flight) — измерение времени между рождением нейтрона (например, в импульсном источнике) и его регистрацией на расстоянии. Позволяет определить энергию.
- Реакции деления на уране-235 или тории-232 — для регистрации нейтронов высоких энергий.
¶Источники нейтронов для экспериментов
Для поиска и изучения нейтронов используются различные источники:
- Реакторы — потоки до 10¹⁵ нейтронов/(см²·с) в исследовательских каналах.
- Ускорители — через реакции (p, n), (d, n), (α, n), например, ⁷Li(p, n)⁷Be.
- Спонтанное деление калифорния-252 — компактный источник быстрых нейтронов.
- Космические нейтроны — возникают при взаимодействии космических лучей с атмосферой.
- Термоядерный синтез — нейтроны с энергией 14,1 МэВ в реакции дейтерий-тритий.
¶Применение
Нейтронные детекторы используются в широком спектре областей:
- Ядерная энергетика — контроль нейтронного потока в активной зоне реактора, системы аварийной защиты.
- Медицина — нейтронно-захватывающая терапия рака, нейтронная томография.
- Промышленный контроль — нейтронная гамма-анализ элементного состава, поиск урана и других радиоактивных материалов.
- Научные исследования — нейтронная спектроскопия, изучение структуры вещества, поиск редких процессов (бета-распад двойного электронного захвата, безнейтринный двойной бета-распад).
- Геофизика — каротаж нейтронными методами при бурении скважин.
¶История
Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году. Ранние методы детектирования основывались на ионизационных камерах с борсодержащими покрытиями. В 1947 году Ханс Борн и Луис Алварес разработали первый пропорциональный счётчик на гелии-3. В СССР значительный вклад в развитие нейтронной физики и методов детектирования внесли Игорь Курчатов, Дмитрий Блохинцев, а позже — коллективы Объединённого института ядерных исследований и Института атомной энергии.
¶Источники
- «Нейтронная физика», А. И. Ахиезер, И. Я. Померанчук
- «Handbook of Particle Detection and Imaging», C. Grupen, I. Buvat
- «Neutron Detection», G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement
- Справочник «Нейтронные счётчики», ГОСТ Р 8.705-2010