🗊Презентация Детекторы нейтронов

ДЕТЕКТОРЫ НЕЙТРОНОВ

Механизмы регистрации нейтронов в веществе основаны на косвенных методах, как видно из самого названия нейтронов, они сами по себе нейтральны. Нейтроны не вступают, как гамма-кванты в непосредственное взаимодействие с электронами вещества. Механизмы регистрации нейтронов в веществе основаны на косвенных методах, как видно из самого названия нейтронов, они сами по себе нейтральны. Нейтроны не вступают, как гамма-кванты в непосредственное взаимодействие с электронами вещества. Процесс регистрации нейтронов начинается тогда, когда при взаимодействии с ядрами нейтроны инициируют образование одной или нескольких заряженных частиц. Электрические сигналы, образованные этими заряженными частицами, могут затем обрабатываться детектирующей системой.

Газонаполненные детекторы

Газ для детекторов В зависимости от области применения рассматриваемые детекторы обычно заполняют He3, He4, BF3, CH4 под давление от 1 до 20 атм. Для улучшения рабочих характеристик детектора часто добавляются другие газы. Например, для сокращения длины пробега продуктов реакции может использоваться тяжелый газ аргон. Добавление тяжелого газа также ускоряет собирание зарядов, но имеет и негативное последствие – повышает чувствительность детектора к гамма-излучению.

Чувствительность детекторов к гамма-излучению Поскольку большинство ядерных материалов излучает гамма-квантов в 10 и более раз больше, чем нейтронов, чувствительность детектора к гамма-квантам является важным критерием для его выбора. В любом детекторе гамма-кванты могут передавать энергию электронам в процессе комптоновского рассеяния. Комптоновское рассеяние может иметь место на стенках детектора или на атомах газа-наполнителя с образование электрона, который может ионизировать газ. Комптоновское рассеяние – процесс упругого столкновения, в котором гамма-квант взаимодействует со свободным или слабо связанным электроном и передает часть своей энергии электрону. Электрон становится свободным с кинетической энергией, потерянной гамма-квантом.

Вероятность взаимодействия нейтронов и гамма-квантов с материалами пропорциональных счетчиков и сцинтилляторов

Количество энергии, передаваемой нейтронами и гамма-квантами материалами счетчиков и сцинтилляторов

Эффективность и чувствительность к гамма-квантам некоторых детекторов

Детекторы тепловых нейтронов на основе 3He и BF3 3He+n→3H+1H+765кэВ 10B+n →7Li*+4He+2310кэВ 7Li* →7Li+480 кэВ

Детекторы быстрых нейтронов, наполненные 3He и CH4 Зависимость сечения упругого рассеяния на 1H и 4He от энергии нейтронов (с наложением на рисунок кривой спектра нейтронов деления)

Ионизационная камера КНК-56

Пропорциональный счетчик СНМ-18

Камеры деления Камера деления регистрирует нейтроны, вызвавшие деление ядер материала, нанесенного на внутренней стенке. Спектр амплитуд импульсов камеры деления с покрытием из 235U с поверхностной плотностью около 0,8 мг/см2 Видна двухгорбая кривая от легкого и тяжелого осколка деления.

Детекторы с покрытием из B10

Другие виды детекторов Пластмассовые и жидкие сцинтилляторы Стеклянные сцинтилляторы Активируемые фольги Трековые детекторы

Влияние пространственных эффектов на времена достижения уставок аварийной защиты (по периоду и мощности) Влияние пространственных эффектов на времена достижения уставок аварийной защиты (по периоду и мощности) высота активной зоны ~ 80см, диаметр активной зоны ~2,5м.

Обработка результатов

Нейтроны могут быть получены в реакциях на ядрах, в которых нейтроны наиболее слабо связаны. В этих реакциях может образоваться сначала возбужденное промежуточное ядро с энергией возбуждения. Если энергия возбуждения больше, чем энергия связи «последнего нейтрона» в промежуточном ядре, то вероятность излучения нейтрона достаточно велика. Остаточная энергия возбуждения распределяется в виде кинетической энергии между нейтроном и остаточным ядром. Ядро после вылета нейтрона может оказаться в возбужденном состоянии и перейти затем в основное состояние путем излучения гамма-кванта. Возможность получения нейтронов в той или иной реакции определяется энергией связи нейтрона в ядре. Нейтроны могут быть получены в реакциях на ядрах, в которых нейтроны наиболее слабо связаны. В этих реакциях может образоваться сначала возбужденное промежуточное ядро с энергией возбуждения. Если энергия возбуждения больше, чем энергия связи «последнего нейтрона» в промежуточном ядре, то вероятность излучения нейтрона достаточно велика. Остаточная энергия возбуждения распределяется в виде кинетической энергии между нейтроном и остаточным ядром. Ядро после вылета нейтрона может оказаться в возбужденном состоянии и перейти затем в основное состояние путем излучения гамма-кванта. Возможность получения нейтронов в той или иной реакции определяется энергией связи нейтрона в ядре.

Энергия связи последнего нейтрона в легких ядрах

Различные типы реакций (α, n)-реакция Be9 + He4→C12 + n + 5,704 МэВ B11 + He4 →N14 + n + 0,158 МэВ Li7 + He4 →B10 + n - 2,790 МэВ (d, n)-реакция H3 + H2 →He4 + n + 17,588 МэВ C12 + H2 →N13 + n - 0,282 МэВ (p, n)-реакция Li7 + H1 →Be7 + n - 1,646 МэВ H3 + H1 →He3 + n - 0,764 МэВ (γ, n)-реакция (ядерный фотоэффект) Be9 + γ → Be8 + n - 1,666 МэВ H2 + γ →H1 + n - 2,225 МэВ

Радиоактивные (α, n) источники Ra-Be источник

Характеристики Ra – Be источника Сечение реакции Be9(α,n)C12 как функция энергии α-частиц

Обычно вещество источника представляет собой смесь бромида радия и порошка бериллия, спрессованную под большим давлением. Эту смесь аккуратно запаивают в оболочку из латуни или никеля, которую из соображений безопасности (радон) окружают второй оболочкой. Радий и бериллий смешивают, как правило, в весовом отношении 1:5. Обычно вещество источника представляет собой смесь бромида радия и порошка бериллия, спрессованную под большим давлением. Эту смесь аккуратно запаивают в оболочку из латуни или никеля, которую из соображений безопасности (радон) окружают второй оболочкой. Радий и бериллий смешивают, как правило, в весовом отношении 1:5. Мощность Ra-Be источника составляет (1,2-1,7)*107 нейтрон/сек.

Другие источники (α, n) типа Po210 (RaF) является другим хорошо известным α - излучателем, имеющим период полураспада 138,5 дня и излучающий α частицы с энергией 5,305 МэВ. Po210 имеет ряд преимуществ по сравнению с рядом других источников, так как не излучает β - и γ – лучей. Недостатком является короткое время жизни.

Pu-Be источник имеет существенные преимущества: Pu-Be источник имеет существенные преимущества: 1) так как плутоний с бериллием образуют сплав то при изготовлении источников легко достигается воспроизводимость их параметров 2) источник испускает мягкие γ кванты и 3) имеет большой период полураспада. Однако недостатками для некоторых приложений является относительно невысокий удельный выход и то обстоятельство, что в нейтронном поле мощность источника изменяется вследствие деления Pu239

Реакции (α, n) на легких ядрах

Характеристики некоторых изотопных источников на основе реакции (α,n)

Радиоактивные (γ, n) - источники В отличие от (α, n)-источников, испускающих нейтроны с непрерывным спектром, фотонейтронные источники, использующие монохроматические γ-лучи, излучают почти моноэнергетические нейтроны. Ввиду того, что энергия γ-лучей радиоактивных веществ редко превышает 3 Мэв, (γ, n)-реакции могут быть осуществлены только в бериллии (Q = — 1,685 Мэв) и в дейтерии (Q = — 2,225 Мэв); в качестве γ-излучателей используются различные естественные и искусственные радиоактивные изотопы. Недостатками фотонейтронных источников являются малый выход и обычно небольшое время жизни γ-излучателей. При работе с фотонейтронными источниками следует принимать необходимые меры предосторожности по защите от жесткого γ -излучения.

Sb-Be источник Показана схема распада изотопа Sb124, образующегося при облучении нейтронами изотопа Sb123. Примерно 48% всех β-распадов приводит к возбужденному состоянию Те124, излучающему при распаде γ-кванты с энергией 1,692 Мэв. Естественная смесь изотопов сурьмы содержит 42,75% Sb123 и 57, 25% Sb121. Сечение активации изотопа Sb123 равно 2,5 барн при υ0 = 2200 м/сек, а период полураспада изотопа Sb124 составляет 60,9 дня.

Источники фотонейтронов

Источники нейтронов с делящимся веществом

Cf-252

Получение нейтронов с помощью искусственно ускоренных частиц (d, n)-реакция H3 + H2 →He4 + n + 17,588 МэВ C12 + H2 →N13 + n - 0,282 МэВ (p, n)-реакция Li7 + H1 →Be7 + n - 1,646 МэВ H3 + H1 →He3 + n - 0,764 МэВ

Большинство источников дает нейтроны с неодинаковой энергией. Часто их спектр довольно широкий. Однако для многих исследований необходимо иметь большое разрешение по энергиям. Например, при изучении зависимости эффективного сечения какого-либо процесса от энергии нейтронов нужно выделять из непрерывного спектра нейтроны заданной энергии. Большинство источников дает нейтроны с неодинаковой энергией. Часто их спектр довольно широкий. Однако для многих исследований необходимо иметь большое разрешение по энергиям. Например, при изучении зависимости эффективного сечения какого-либо процесса от энергии нейтронов нужно выделять из непрерывного спектра нейтроны заданной энергии.

Методы получения монохроматических нейтронов Метод времени пролета