Nötron tespiti - Neutron detection

Nötronlarla bilim
Neutron.svg
Vakıflar
Nötron saçılması
Diğer uygulamalar
Altyapı
Nötron tesisleri

Nötron tespiti , iyi konumlandırılmış bir detektöre giren nötronların etkili bir şekilde tespit edilmesidir . Etkili nötron algılamanın iki temel yönü vardır: donanım ve yazılım. Algılama donanımı, kullanılan nötron dedektörünün türünü (günümüzde en yaygın olanı sintilasyon algılayıcısıdır ) ve algılama kurulumunda kullanılan elektroniği ifade eder. Ayrıca, donanım kurulumu kaynak-dedektör mesafesi, katı açı ve dedektör koruması gibi temel deneysel parametreleri de tanımlar . Algılama yazılımı, detektöre çarpan nötronların sayısını ve enerjilerini ölçmek için grafik analiz gibi görevleri yerine getiren analiz araçlarından oluşur.

Temel fizik

Bir nötronun tespit edilebileceği imzalar

Atomik ve atom altı parçacıklar, çevreleriyle etkileşim yoluyla ürettikleri imza ile algılanır. Etkileşimler, parçacıkların temel özelliklerinden kaynaklanır.

  • Yük: Nötronlar nötr parçacıklardır ve doğrudan iyonlaşmazlar; bu nedenle doğrudan tespit edilmesi yüklü parçacıklardan daha zordur. Dahası, hareket yolları elektrik ve manyetik alanlardan çok az etkilenir.
  • Kütle: Nötron kütlesi 1.008 664 9156 (6)  u doğrudan tespit edilemez, ancak tespit edilebileceği reaksiyonları etkiler.
  • Reaksiyonlar: Nötronlar, elastik saçılma yoluyla bir dizi malzeme ile reaksiyona girerek bir yeniden sarma çekirdeği üretir , esnek olmayan saçılma , uyarılmış bir çekirdek üretir veya elde edilen çekirdeğin dönüşümü ile emilir. Çoğu tespit yaklaşımı, çeşitli reaksiyon ürünlerini tespit etmeye dayanır.
  • Manyetik an: nötronlar bir olmasına rağmen manyetik anı arasında −1.913 0427 (5)   μ N , manyetik momentin tespitine yönelik teknikler, nötron tespitinde kullanılamayacak kadar duyarsızdır.
  • Elektrik dipol momenti: Nötronun henüz tespit edilmemiş çok küçük bir elektrik dipol momentine sahip olduğu tahmin edilmektedir . Dolayısıyla, geçerli bir algılama imzası değildir.
  • Çürüme: Çekirdeğin dışında, serbest nötronlar kararsızdır ve ortalama ömürleri vardır . 885,7 ± 0,8 sn (yaklaşık 14 dakika, 46 saniye). Serbest nötronlar, bir elektronun ve bir elektron antinötrinonun yayılmasıyla bozunarak bir proton haline gelir, bu süreç beta bozunması olarak bilinir :

n 0
→
p +
+
e -
+
ν
e .
rağmen
p +
ve
e -
nötron bozunması tarafından üretilen tespit edilebilir, bozulma oranı pratik bir detektör sistemi için temel teşkil etmek için çok düşüktür.

Klasik nötron algılama seçenekleri

Bu özelliklerin bir sonucu olarak, nötronların tespiti birkaç ana kategoriye ayrılır:

  • Ani reaksiyonlarla emici reaksiyonlar - düşük enerjili nötronlar tipik olarak dolaylı olarak absorpsiyon reaksiyonları yoluyla tespit edilir. Kullanılan tipik emici malzemeler , nötronların emilmesi için yüksek enine kesitlere sahiptir ve helyum-3 , lityum-6 , bor-10 ve uranyum-235'i içerir . Bunların her biri, iyonlaşma izi çeşitli yollarla tespit edilebilen yüksek enerjili iyonize parçacıkların emisyonuyla reaksiyona girer . Yaygın olarak kullanılan reaksiyonlar arasında 3 He (n, p) 3 H, 6 Li (n, t) 4 He, 10 B (n, α) 7 Li ve uranyum fisyonu bulunur.
  • Aktivasyon süreçleri - Nötronlar, ışınımsal bir yakalama , dökülme veya benzer reaksiyonda emicilerle reaksiyona girerek, daha sonra bir süre sonra bozunan, beta partikülleri veya gama salgılayan reaksiyon ürünleri üreterek tespit edilebilir . Seçilmiş malzemeler (örneğin indiyum , altın , rodyum , demir ( 56 Fe (n, p)  56 Mn), alüminyum ( 27 Al (n, α) 24 Na),  niyobyum ( 93 Nb (n, 2n)  92m Nb), & silikon ( 28 Si (n, p) 28 Al)) çok dar bir enerji bandı içinde nötronların yakalanması için son derece büyük enine kesitlere sahiptir. Çoklu soğurucu numunelerin kullanılması, nötron enerji spektrumunun karakterizasyonuna izin verir. Aktivasyon aynı zamanda tarihi bir nötron maruziyetinin yeniden oluşturulmasına da izin verir (örneğin, kaza sonucu kritiklik sırasında nötron maruziyetlerinin adli olarak yeniden oluşturulması ).
  • Elastik saçılma reaksiyonları (proton-geri tepme olarak da adlandırılır) - Yüksek enerjili nötronlar tipik olarak dolaylı olarak elastik saçılma reaksiyonları yoluyla tespit edilir . Nötronlar, dedektördeki atomların çekirdekleriyle çarpışarak bu çekirdeklere enerji aktarır ve tespit edilen iyonları oluşturur. Maksimum enerji transferi, nötronun çarpıştığı atomun kütlesi nötron kütlesi ile karşılaştırılabilir olduğunda meydana geldiğinden, bu tür dedektörler için genellikle hidrojenli malzemeler tercih edilen ortamdır.

Nötron dedektör türleri

Orantılı gaz dedektörleri

Gaz orantılı dedektörler , nötronları algılamak için uyarlanabilir. Nötronlar tipik olarak iyonlaşmaya neden olmazken , yüksek nötron kesiti olan bir nükleit ilavesi , dedektörün nötronlara yanıt vermesine izin verir. Bu amaçla yaygın olarak kullanılan nüklitler helyum-3 , lityum-6 , bor-10 ve uranyum-235'tir . Bu malzemeler büyük olasılıkla termal nötronlarla (yani çevreleriyle dengeye yavaşlayan nötronlar) reaksiyona girdiklerinden, tipik olarak enerjilerini azaltmak ve algılama olasılığını artırmak için hafifletici malzemelerle çevrelenmişlerdir .

Nötron sinyalini diğer radyasyon türlerinin etkilerinden ayırmak için genellikle daha fazla iyileştirme gereklidir. Termal bir nötronun enerjisi nispeten düşük olduğundan, yüklü parçacık reaksiyonları ayrıktır (yani, esasen tek enerjiktir ve dar bir enerji bant genişliği içinde yer alır), oysa gama reaksiyonları gibi diğer reaksiyonlar geniş bir enerji aralığını kapsayacaktır. Kaynaklar.

Sınıf olarak, gaz iyonizasyon dedektörleri nötronların enerjisini değil sayısını ( sayım hızını ) ölçer .

3 He gazla dolu orantılı dedektörler

Bir Helyum izotopu, 3 He, etkili bir nötron detektör malzemesi sağlar çünkü 3 He, termal nötronları emerek 1 H ve 3 H iyonu üreterek reaksiyona girer . Gama ışınlarına duyarlılığı ihmal edilebilir düzeydedir ve çok kullanışlı bir nötron detektörü sağlar. Ne yazık ki 3 He'nin arzı, trityumun bozulmasından kaynaklanan bir yan ürün olarak üretimle sınırlıdır (12,3 yıllık bir yarılanma ömrüne sahiptir); trityum, nükleer silahları güçlendirmek için silah programlarının bir parçası olarak veya reaktör operasyonunun bir yan ürünü olarak üretilir.

BF 3 gazla doldurulmuş oransal dedektörler

Elemental bor gazlı olmadığından, bor içeren nötron dedektörleri dönüşümlü olarak % 96 bor-10 (doğal bor% 20 10 B,% 80 11 B) zenginleştirilmiş bor triflorür (BF 3 ) kullanabilir . Bor triflorür oldukça toksiktir. Bu dedektörün hassasiyeti yaklaşık 35-40 CPS / nv iken Bor kaplı olanın hassasiyeti yaklaşık 4 CPS / nv'dir. Bunun nedeni, Bor astarlıda n'nin Bor ile reaksiyona girmesi ve dolayısıyla katman içinde iyon çiftleri oluşturmasıdır. Bu nedenle, üretilen yüklü parçacıklar (Alfa ve Li), o katmanda enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Düşük enerji yüklü parçacıklar, İyonlaşma odasının gaz ortamına ulaşamaz. Dolayısıyla gazda üretilen iyonlaşma sayısı da daha düşüktür.

Oysa doldurulan BF3 gazında, N, gazda B ile reaksiyona girer. ve tamamen enerjik Alfa ve Terazi daha fazla iyonizasyon üretebilir ve daha fazla darbe verebilir.

Bor kaplı oransal dedektörler

Alternatif olarak, bor astarlı gazla dolu orantılı sayaçlar , duvarların 10 B ile kaplanması dışında, BF 3 gazla dolu orantılı dedektörlere benzer şekilde tepki verir . Bu tasarımda, reaksiyon yüzeyde gerçekleştiğinden, bunlardan sadece biri orantılı sayaca iki parçacık kaçacaktır.

Sintilasyon nötron dedektörleri

Sintilasyon nötron detektörleri arasında sıvı organik sintilatörler, kristaller, plastikler, cam ve sintilasyon lifleri bulunur.

Nötron duyarlı parıldayan cam elyaf dedektörler

Nötron tespiti için parıldayan 6 Li cam ilk olarak 1957'de bilimsel literatürde bildirildi ve 1960'larda ve 1970'lerde önemli ilerlemeler kaydedildi. Parıldayan lif, Atkinson M. ve ark. 1987'de ve 1980'lerin sonunda ve 1990'ların başında, sınıflandırılmış bir teknoloji olarak geliştirildiği Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı'nda büyük ilerlemeler kaydedildi. Sınıfı 1994'te kaldırıldı ve ilk olarak 1997'de Oxford Instruments tarafından lisanslandı, ardından 1999'da Nucsafe'e devredildi. Fiber ve fiber dedektörleri artık Nucsafe, Inc. tarafından üretilmekte ve ticari olarak satılmaktadır.

Parıldayan cam elyaflar , dökme cam bileşimine 6 Li ve Ce 3 + katarak çalışır. 6 Li ile termal nötron absorpsiyonu için yüksek enine kesite sahip 6 Li (n, a) reaksiyonu. Nötron emilimi bir trityum iyonu, bir alfa parçacığı ve kinetik enerji üretir. Alfa parçacığı ve triton, enerjiyi Ce 3+ iyonlarına aktaran ve uyarılmış haldeki Ce 3+ iyonları temel durumuna dönerken dalga boyu 390 nm - 600 nm olan fotonların emisyonunu sağlayan iyonizasyon üretmek için cam matris ile etkileşime girer . Olay, emilen her nötron için birkaç bin fotonluk bir ışık parlamasıyla sonuçlanır. Sintilasyon ışığının bir kısmı, bir dalga kılavuzu görevi gören cam elyafı boyunca yayılır. Fiber uçları, foton patlamalarını tespit etmek için bir çift fotomultiplikatör tüpüne (PMT) optik olarak bağlanır. Dedektörler, tipik olarak nabız yüksekliği ayrımı kullanılarak ayırt edilen hem nötronları hem de gama ışınlarını tespit etmek için kullanılabilir. Gama radyasyonuna karşı fiber dedektör hassasiyetinin azaltılması için önemli çaba ve ilerleme sağlanmıştır. Orijinal dedektörler, 0,02 mR gama alanında sahte nötronlardan muzdaripti. Tasarım, süreç ve algoritma iyileştirmeleri artık gama alanlarında 20 mR / saate ( 60 Co) kadar çalışmayı mümkün kılıyor .

Parıldayan fiber dedektörler mükemmel hassasiyete sahiptirler, sağlamdırlar ve hızlı zamanlamaya (~ 60 ns) sahiptirler, böylece sayım oranlarında geniş bir dinamik aralık mümkündür. Dedektörler, istenen herhangi bir şekle getirilebilmeleri ve çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere çok büyük veya çok küçük yapılabilmeleri avantajına sahiptir. Ayrıca, 3 He'ye veya sınırlı bulunabilirliğe sahip herhangi bir hammaddeye güvenmezler ve toksik veya düzenlenmiş maddeler içermezler. Katı camdaki nötron emici türlerin yüksek basınçlı gaz 3 He'ye kıyasla daha yüksek yoğunluğu nedeniyle, brüt nötron sayımı için performansları 3 He tüpü ile eşleşir veya aşar . 6 Li'nin termal nötron kesiti 3 He'ye kıyasla düşük olsa da (940 ahır ve 5330 ahır), fiberdeki 6 Li'nin atom yoğunluğu elli kat daha fazladır ve bu da yaklaşık olarak etkili yakalama yoğunluğu oranında bir avantaj ile sonuçlanır. 10: 1.

LiCaAlF 6

LiCaAlF 6 , nötron duyarlı, parıldayan cam elyaf dedektörleri gibi, 6 Li ile nötron yakalamayı kullanan bir nötron duyarlı inorganik sintilatör kristalidir . Parıldayan cam elyaf detektörlerinin aksine 6 Li, sintilatörün kristal yapısının bir parçasıdır ve ona doğal olarak yüksek 6 Li yoğunluğu verir. Kristale ışıltılı özelliklerini sağlamak için bir doping maddesi eklenir, iki yaygın katkı maddesi üç değerlikli seryum ve iki değerlikli öropiyumdur. Öropiyum katkılı LiCaAlF 6 , nötron yakalama başına üretilen optik foton sayısının, örneğin nötron duyarlı parıldayan cam fiberlerdekinden 5 kat daha yüksek olan yaklaşık 30.000 olması gibi diğer malzemelere göre avantaja sahiptir. Bu özellik, nötron foton ayrımını kolaylaştırır. Yüksek 6 Li yoğunluğu nedeniyle, bu malzeme hafif kompakt nötron dedektörleri üretmek için uygundur, sonuç olarak LiCaAlF 6 , balon görevlerinde yüksek irtifalarda nötron tespiti için kullanılmıştır. Eu 2+ katkılı LiCaAlF 6'nın uzun bozunma süresi, yüksek radyasyonlu ortamlarda ölçümler için daha az uygun hale getirir, Ce 3+ katkılı varyantı daha kısa bir bozulma süresine sahiptir, ancak daha düşük bir ışık veriminden muzdariptir.

NaIL Çift Algılamalı Nötron-Gama Sintilatörü

Talyum ve Lityum [NaI (Tl + Li)] aka NaIL ile birlikte katkılanmış Sodyum İyodür kristali, olağanüstü Darbe Şekli Ayrımı ile tek bir kristalde Gama radyasyonu ve Termal Nötronları tespit etme yeteneğine sahiptir. NaIL'de düşük 6 Li konsantrasyonunun kullanılması ve büyük kalınlıklar, 3He veya CLYC veya CLLB dedektörleriyle aynı nötron algılama yeteneklerini daha düşük bir maliyetle elde edebilir. 6 Li (% 95 zenginleştirilmiş) ortak doping, standart NaI'nin (Tl) uygun sintilasyon özelliklerini korurken, en köklü gama ışını sintilatörüne verimli termal nötron tespiti sağlar. NaIL, hacim başına düşük bir fiyata hem gama hem de nötronlar için büyük hacimli, tek malzeme dedektörleri sağlayabilir.

Yarı iletken nötron dedektörleri

İki temel tipte yarı iletken nötron dedektörü vardır; ilki nötron reaktif malzeme ile kaplanmış elektron cihazları, ikincisi ise kısmen nötron reaktif malzemeden oluşan bir yarı iletkendir. Bu konfigürasyonlardan en başarılı olanı kaplanmış cihaz tipidir ve bir örnek, 10 B veya 6 LiF ile kaplanmış ortak bir düzlemsel Si diyot olabilir . Bu tip detektör ilk olarak Babcock ve ark. Konsept basittir. Reaktif filmde bir nötron emilir ve kendiliğinden enerjik reaksiyon ürünleri yayar. Bir reaksiyon ürünü yarı iletken yüzeye ulaşabilir ve yarı iletkene girdikten sonra elektron deliği çiftleri üretir. Ters öngerilim voltajı altında, bu elektronlar ve delikler, genellikle bir voltaj çıkışı oluşturmak için darbe modunda entegre edilen indüklenmiş bir akım üretmek için diyot boyunca sürüklenir. Tek kaplamalı cihazlar için maksimum iç verimlilik, termal nötronlar için yaklaşık% 5'tir (0,0259 eV) ve tasarım ve çalışma, literatürde kapsamlı bir şekilde açıklanmıştır. Nötron saptama etkinliği sınırlaması, reaksiyon ürünü kendi kendine soğurmanın bir sonucudur. Örneğin, 10 B (n, α) 7 Li reaksiyonundan gelen 1.47 MeV α partiküllerinin bor filmindeki aralık yaklaşık 4.5 mikrondur ve LiF'deki aralık 10 B (n, α) 7'den 2.7 MeV tritondur. Li reaksiyonu yaklaşık 28 mikrondur. Film / yarı iletken arayüzünden daha uzak mesafelerden kaynaklanan reaksiyon ürünleri, yarı iletken yüzeyine ulaşamaz ve sonuç olarak nötron tespitine katkıda bulunmayacaktır. Doğal Gd ile kaplanmış cihazlar, esas olarak 49.000 ahırlık büyük termal nötron mikroskobik kesiti nedeniyle araştırılmıştır. Bununla birlikte, ilgilenilen Gd (n, γ) reaksiyon ürünleri çoğunlukla düşük enerjili dönüşüm elektronlarıdır ve çoğunlukla 70 keV civarında gruplanmıştır. Sonuç olarak, nötron kaynaklı olaylar ve gama ışını olayları (esas olarak Compton saçılmış elektronlar üreten) arasındaki ayrım, Gd kaplı yarı iletken diyotlar için zordur. Telafi edilmiş bir piksel tasarımı sorunu çözmeye çalıştı. Genel olarak, 10 B veya 6 LiF ile kaplanmış cihazlar tercih edilir çünkü enerjik yüklü partikül reaksiyon ürünlerinin arka plandaki radyasyonlardan ayırt edilmesi çok daha kolaydır.

Kaplanmış düzlemsel diyotların düşük verimliliği, mikro yapılı yarı iletken nötron dedektörlerinin (MSND) geliştirilmesine yol açtı. Bu dedektörler, yarı iletken bir alt tabakaya oyulmuş mikroskobik yapılara sahiptir ve daha sonra pim tarzı bir diyot haline getirilir. Mikroyapılar, nötron reaktif malzeme, genellikle 6 LiF ile doldurulur , ancak 10 B kullanılmıştır. Reaktif malzemeye bitişik artan yarı iletken yüzey alanı ve bir reaksiyon ürününün yarı iletkene girme olasılığının artması, içsel nötron saptama verimliliğini büyük ölçüde artırır.

Mikro yapılı yarı iletken nötron detektörünün (MSND) temel tasarımı.

MSND cihaz konfigürasyonu ilk olarak Muminov ve Tsvang ve daha sonra Schelten ve diğerleri tarafından önerildi. Yıllar sonra, bir MSND'nin ilk çalışan örneğinin üretildiği ve gösterildiği, ardından yalnızca% 3,3 termal nötron algılama verimliliğine sahip olduğu zamandı. Bu ilk çalışmadan bu yana, MSND'ler% 30'dan fazla termal nötron algılama verimliliği elde etti. MSND'ler yerleşik potansiyelde (sıfır uygulanan voltaj) çalışabilmesine rağmen, 2-3 volt uygulandığında en iyi performansı gösterirler. Şu anda MSND varyasyonları üzerinde çalışan birkaç grup var. En başarılı türler, 6 LiF malzeme ile doldurulmuş çeşitlerdir . MSND'ler artık Radiation Detection Technologies, Inc. tarafından üretilmekte ve satılmaktadır. Yarı iletken bir gofretin her iki tarafında zıt mikro yapılara sahip çift taraflı MSND'lerin gelişmiş deneysel sürümleri,% 65'in üzerinde termal nötron algılama verimliliği ile rapor edilmiştir ve teorik olarak daha fazla kapasiteye sahiptir. % 70 verimlilik.

Bir veya daha fazla bileşen atomun nötron reaktif olduğu yarı iletken dedektörlere yığın yarı iletken nötron dedektörleri denir. Yığın katı hal nötron dedektörleri iki temel kategoriye ayrılabilir: yüklü parçacık reaksiyon ürünlerinin tespitine dayananlar ve hızlı yakalama gama ışınlarının tespitine dayananlar. Genel olarak, bu tip nötron detektörünün güvenilir bir şekilde yapılması zordur ve şu anda ticari olarak temin edilememektedir.

Yüklü parçacık emisyonlarına dayanan dökme malzemeler, bor ve lityum içeren yarı iletkenlere dayanmaktadır. Yığın yarı iletken nötron dedektörleri arayışında BP, BAs, BN ve B 4 C gibi bor bazlı malzemeler diğer potansiyel malzemelerden daha fazla araştırılmıştır.

Kübik formdaki bor bazlı yarı iletkenlerin, esas olarak sentez için yüksek sıcaklıklar ve yüksek basınç gerektirdiklerinden, yığın kristaller olarak büyümeleri zordur. BP ve Bas, yüksek basınç altında sentezlenmedikçe istenmeyen kristal yapılara (kübikten ikosahedral forma) ayrışabilir. B 4 ikosahedral yapı nötron tespiti için uygun olan bu ikosahedral formları yapmak nispeten zayıf yük toplama özelliklerine sahip olması nedeniyle Cı ayrıca bir paralelkenar kristal yapısında arzu edilmeyen bir dönüşüm ikosahedral birimleri oluşturur.

BN, büyüme sıcaklığına bağlı olarak basit altıgen, kübik (çinko blend) veya vurtzit kristalleri olarak oluşturulabilir ve genellikle ince film yöntemleriyle büyütülür. Nötron detektörü olarak en çok çalışılan BN'nin basit altıgen formudur. İnce film kimyasal buhar biriktirme yöntemleri genellikle BP, BA'lar, BN veya B 4 C'yi üretmek için kullanılır . Bu bor bazlı filmler genellikle Si ile bir pn bağlantısı oluşturabilen n-tipi Si substratları üzerinde büyütülür ve bu nedenle, Bu bölümün başında anlatıldığı gibi kaplanmış bir Si diyot üretin. Sonuç olarak, cihazdan gelen nötron yanıtı, gerçekte kaplanmış bir diyot yanıtı olduğunda kolayca toplu yanıt olarak yanlış anlaşılabilir. Bugüne kadar, iç nötron sinyalleri üreten bor bazlı yarı iletkenlere dair çok az kanıt vardır.

Nowotny-Juza bileşikleri olarak kategorize edilen Li içeren yarı iletkenler de toplu nötron detektörleri olarak araştırılmıştır. Nowotny-Juza bileşiği LiZnAs bir nötron detektörü olarak gösterilmiştir; bununla birlikte, malzemenin sentezlenmesi zor ve pahalıdır ve sadece küçük yarı iletken kristaller bildirilmiştir. Son olarak, nötron reaktif katkı maddelerine sahip geleneksel yarı iletken malzemeler, yani Si (Li) dedektörleri araştırılmıştır. Nötronlar, materyaldeki lityum katkı maddesi ile etkileşime girer ve enerjik reaksiyon ürünleri üretir. Bununla birlikte, takviye edici konsantrasyonu, Li, tipik olarak, en az 10 Si detektörleri (ya da başka bir katkılı yarı iletkenler) sürüklenmiş göreli olarak düşük olan 19 cm -3 . 10 19 cm- 3 düzeyinde dejenere bir Li konsantrasyonu için, 5 cm kalınlığındaki doğal Si (Li) bloğu% 1'den daha az termal nötron algılama verimliliğine sahipken, 5 cm kalınlığında bir Si bloğu ( 6 Li) dedektörü yalnızca% 4,6 termal nötron algılama verimliliğine sahip olacaktır.

CdTe ve HgI 2 gibi hızlı gama ışını yayan yarı iletkenler, nötron dedektörleri olarak başarıyla kullanılmıştır. Bu dedektörler, 113 Cd (n, γ) 114 Cd reaksiyonundan (558.6 keV ve 651.3 keV gama ışınları üreten) ve 199 Hg (n, γ) 200 Hg reaksiyonundan (368.1 keV ve 661.1 üreten ) hızlı gama ışını emisyonlarına dayanır. keV gama ışınları). Bununla birlikte, bu yarı iletken malzemeler, gama ışını spektrometreleri olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır ve bu nedenle, gama ışını arka planına içsel olarak duyarlıdır. Yeterli enerji çözünürlüğü ile, hızlı gama ışını emisyonlarını nötron etkileşimlerinden ayırmak için darbe yüksekliği ayrımı kullanılabilir. Bununla birlikte, etkili nötron algılama verimliliği, nispeten küçük Compton oranı nedeniyle tehlikeye atılmıştır. Başka bir deyişle, olayların çoğu, tam enerji zirvesinden ziyade Compton sürekliliğine katkıda bulunur, böylece nötronlar ile arka plan gama ışınları arasında ayrım yapılmasını zorlaştırır. Ayrıca, hem doğal Cd hem de Hg, sırasıyla 2444 b ve 369,8 b'lik nispeten büyük termal nötron (n, γ) kesitlerine sahiptir. Sonuç olarak, termal nötronların çoğu dedektör yüzeyinin yakınında emilir, böylece hızlı gama ışınlarının neredeyse yarısı, dedektör kütlesinden uzak yönlerde yayılır ve bu nedenle zayıf gama ışını yeniden emilimi veya etkileşim verimliliği üretir.

Nötron aktivasyon dedektörleri

Aktivasyon örnekleri, nötronların enerji spektrumunu ve yoğunluğunu karakterize etmek için bir nötron alanına yerleştirilebilir. 56 Fe (n, p)  56 Mn, 27 Al (n, α) 24 Na,  93 Nb (n, 2n)  92m Nb ve 28 Si (n, p) 28 dahil olmak üzere farklı enerji eşiklerine sahip aktivasyon reaksiyonları kullanılabilir. Al.

Hızlı nötron dedektörleri

Hızlı nötronlar genellikle ilk önce onları termal enerjilere ılımlı hale getirerek (yavaşlatarak) tespit edilir. Ancak bu işlem sırasında nötronun orijinal enerjisi, hareket yönü ve emisyon zamanı hakkındaki bilgiler kaybolur. Birçok uygulama için, bu bilgiyi tutan "hızlı" nötronların tespiti oldukça arzu edilir.

Tipik hızlı nötron dedektörleri sıvı sintilatörler, 4-He tabanlı asal gaz dedektörleri ve plastik dedektörlerdir. Hızlı nötron dedektörleri, 1.) nötron / gama ayırt etme kabiliyetleri (darbe şeklini ayırt etme yoluyla) ve 2.) hassasiyetleri ile birbirlerinden ayrılırlar. Nötronlar ve gamalar arasında ayrım yapma yeteneği, düşük elektron yoğunlukları ve mükemmel darbe şekli ayırt etme özellikleri nedeniyle soy gaz tabanlı 4-He dedektörlerde mükemmeldir. Aslında, çinko sülfit gibi inorganik sintilatörlerin, protonlar ve elektronlar için bozunma sürelerinde büyük farklılıklar sergilediği gösterilmiştir; Mikro Katmanlı Hızlı Nötron Detektöründe inorganik kristalin bir nötron dönüştürücü (polimetil metakrilat gibi) ile birleştirilmesiyle yararlanılan bir özellik. Bu tür tespit sistemleri, nabız şekli ayrımı gibi herhangi bir ek ayrım tekniği gerektirmeden, karışık bir nötron-gama radyasyon alanında yalnızca hızlı nötronları seçici olarak tespit edebilir.

Hızlı nötronların tespiti bir dizi özel problemi ortaya çıkarır. Yönlü hızlı nötron detektörü, plastik sintilatör malzemesinin ayrılmış düzlemlerinde çoklu proton geri tepmeleri kullanılarak geliştirilmiştir. Nötron çarpışmasının yarattığı geri tepme çekirdeğinin yolları kaydedilir; İki geri tepme çekirdeğinin enerjisinin ve momentumunun belirlenmesi, kendileriyle elastik saçılmaya maruz kalan nötronun hareket yönünün ve enerjisinin hesaplanmasına izin verir.

Başvurular

Nötron tespiti çeşitli amaçlar için kullanılır. Her uygulamanın algılama sistemi için farklı gereksinimleri vardır.

  • Reaktör enstrümantasyonu: Reaktör gücü esasen nötron akısıyla doğrusal orantılı olduğundan , nötron dedektörleri nükleer güç ve araştırma reaktörlerinde önemli bir güç ölçüsü sağlar. Kaynar su reaktörleri , her yakıt düzeneği için bir tane olmak üzere düzinelerce nötron detektörüne sahip olabilir. Termal spektrumlu nükleer reaktörlerde kullanılan çoğu nötron detektörü, termal nötronları tespit etmek için optimize edilmiştir .
  • Plazma fiziği: Nötron algılama, JET gibi füzyon plazma fiziği deneylerinde kullanılır . Örneğin, bir plazmadan tespit edilen nötron hızı, iyon sıcaklığı hakkında bilgi verebilir.
  • Parçacık fiziği: Nötron algılama, nötrino dedektörlerini güçlendirmenin bir yöntemi olarak önerilmiştir .
  • Malzeme bilimi: Esnek ve esnek olmayan nötron saçılımı, deneycilerin, ångströms'den yaklaşık bir mikrometreye kadar değişen ölçeklerdeki malzemelerin morfolojisini karakterize etmesine olanak tanır .
  • Radyasyon güvenliği: Nötron radyasyonu, nötron kaynakları , uzay yolculuğu, hızlandırıcılar ve nükleer reaktörlerle ilişkili bir tehlikedir . Radyasyon güvenliği için kullanılan nötron detektörleri, göreceli biyolojik etkinliği (yani nötronların neden olduğu hasarın enerjiye göre değişme şeklini) hesaba katmalıdır .
  • Kozmik ışın tespiti: İkincil nötronlar, Dünya atmosferinde kozmik ışınlar tarafından üretilen partikül yağmurlarının bir bileşenidir . Kozmik ışın akışındaki değişimleri izlemek için özel yer seviyesi nötron detektörleri, yani nötron monitörleri kullanılır.
  • Özel nükleer madde tespiti: Uranyum-233 ve plütonyum-239 gibi özel nükleer malzemeler (SNM) , nötronlar vererek kendiliğinden fisyon yoluyla bozunur . Nötron dedektörleri, ticarette SNM için monitör için kullanılabilir.

Deneysel nötron tespiti

Bu bilimden yararlanan deneyler, nötronların yönlendirildiği ve sonra bir numuneden saçıldığı saçılma deneylerini içerir. Tesisler dahil ISIS nötron kaynağı olarak Rutherford Appleton Laboratuvarı'nda , spallation Nötron kaynağı olarak , Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda ve spallation Nötron Kaynağı (SINQ) de Paul Scherrer Enstitüsü nötron spallation reaksiyonu ile üretilen edildiği, ve geleneksel uranyum izotoplarının bölünmesi sırasında nötronların üretildiği araştırma reaktör tesisleri. Çeşitli nötron algılama deneyleri arasında dikkate değer olan , ilk olarak CERN'de gerçekleştirilen ve şimdi "EMC deneyi" olarak adlandırılan Avrupa Muon İşbirliği'nin ticari marka deneyidir. Aynı deney bugün, orijinal EMC etkisiyle ilgili daha kesin sonuçlar elde etmek için daha sofistike ekipmanla gerçekleştirildi .

Deneysel bir ortamda nötron tespitindeki zorluklar

Deneysel bir ortamda nötron tespiti kolay bir bilim değildir. Günümüz nötron algılamasının karşılaştığı başlıca zorluklar arasında arka plan gürültüsü , yüksek algılama oranları, nötron nötrlüğü ve düşük nötron enerjileri bulunmaktadır.

Arkaplan gürültüsü

Nötron tespitinde arka plan gürültüsünün ana bileşenleri, fiziksel engeller tarafından kolayca ortadan kaldırılamayan yüksek enerjili fotonlardır . Alfa ve beta parçacıkları gibi diğer gürültü kaynakları kurşun , plastik, termo-kömür, vb. Gibi çeşitli koruyucu malzemelerle ortadan kaldırılabilir . Bu nedenle, fotonlar nötron tespitinde büyük parazite neden olur, çünkü nötronların mı yoksa fotonlar nötron detektörü tarafından tespit ediliyor. Her ikisi de dedektöre hedef veya ortam ışığından saçıldıktan sonra benzer enerjileri kaydeder ve bu nedenle ayırt edilmesi zordur. Tesadüf tespiti, gerçek nötron olaylarını fotonlardan ve diğer radyasyondan ayırmak için de kullanılabilir.

Yüksek tespit oranları

Dedektör, uzun huzme aktivitesi olan bir bölgede bulunuyorsa, sürekli olarak nötronlar ve son derece yüksek oranlarda arka plan gürültüsü tarafından vurulur. Bu, ölçümde aşırı örtüşme olduğundan ve ayrı olaylar birbirinden kolayca ayırt edilemediğinden, toplanan verileri karmaşık hale getirir. Bu nedenle, zorluğun bir kısmı, algılama oranlarını olabildiğince düşük tutmak ve tutarlı veriler elde etmek için yüksek hızlara ayak uydurabilen bir dedektör tasarlamaktır.

Nötronların tarafsızlığı

Nötronlar nötrdür ve bu nedenle elektrik alanlarına tepki vermez. Bu, algılamayı kolaylaştırmak için rotalarını bir dedektöre yönlendirmeyi zorlaştırır. Nötronlar ayrıca doğrudan çarpışma haricinde atomları iyonize etmezler, bu nedenle gaz halindeki iyonizasyon detektörleri etkisizdir.

Enerji ile değişen davranış

Nötron emilimine dayanan dedektörler genellikle düşük enerjili termal nötronlara karşı daha duyarlıdır ve yüksek enerjili nötronlara daha az duyarlıdır. Öte yandan sintilasyon detektörleri , düşük enerjili nötronların etkilerini kaydetmekte sorun yaşıyor.

Deneysel kurulum ve yöntem

Şekil 1: Deneysel kurulum

Şekil 1, bir nötron algılama ünitesinin kurulumunun tipik ana bileşenlerini göstermektedir. Prensip olarak, diyagram, kurulumu herhangi bir modern parçacık fiziği laboratuvarında olduğu gibi gösterir , ancak ayrıntılar Jefferson Lab'daki ( Newport News, Virginia ) kurulumu açıklar .

Bu düzende, nötron ve fotonlardan oluşan gelen parçacıklar nötron detektörüne çarpar; bu tipik olarak parıldayan malzeme , bir dalga kılavuzu ve bir fotoçoğaltıcı tüp (PMT) içeren bir sintilasyon detektörüdür ve algılama ayrıntılarını kaydetmek için bir veri toplama (DAQ) sistemine bağlanacaktır.

Nötron detektöründen gelen algılama sinyali, ölçekleyici üniteye, geçitli gecikme ünitesine, tetik ünitesine ve osiloskopa bağlanır . Ölçekleyici ünite sadece gelen partiküllerin veya olayların sayısını saymak için kullanılır. Bunu, sıfır noktasından gelen dedektör sinyalinde bir dalgalanma algıladığında parçacık sayısını artırarak yapar. Bu birimde çok az ölü zaman vardır, bu da parçacıklar ne kadar hızlı gelirse gelsin, bu birimin bir olayı sayamama ihtimalinin çok düşük olduğu anlamına gelir (örneğin gelen parçacık). Düşük ölü zaman, bu ünitedeki karmaşık elektroniklerden kaynaklanmaktadır; bu, nispeten kolay olan, her olay meydana geldiğinde mantıksal bir yüksek kaydetme görevinden kurtulmak için çok az zaman alır. Tetikleme birimi, sistemin tüm elektronik aksamını koordine eder ve tüm kurulum bir olay çalışmasını kaydetmeye hazır olduğunda bu birimlere mantıksal bir yükseklik verir.

Osiloskop her olayda bir akım darbesi kaydeder. Darbe, yalnızca zamana karşı çizilen bu olayın neden olduğu detektördeki iyonizasyon akımıdır. Olay parçacığının toplam enerjisi, PMT'nin sonunda biriken toplam yükü elde etmek için bu akım darbesini zamana göre entegre ederek bulunabilir. Bu entegrasyon analog-dijital dönüştürücüde (ADC) gerçekleştirilir. Toplam biriken yük, nötron detektörüne giren iyonlaştırıcı parçacığın (nötron veya foton) enerjisinin doğrudan bir ölçüsüdür. Bu sinyal entegrasyon tekniği, nükleer fizikte dedektördeki iyonlaşmayı ölçmek için yerleşik bir yöntemdir. ADC, sınırlı hafızaya sahip olan ve olayları hızlı bir şekilde ADC'ye aktarması gereken osiloskoptan daha yüksek bir ölü zamana sahiptir. Bu nedenle ADC, analiz için osiloskoptan her 30 olaydan yaklaşık birini örneklemektedir. Tipik olay oranı saniyede 106 nötron olduğundan, bu örnekleme yine de her saniye binlerce olayı biriktirecektir.

Nötronları fotonlardan ayırmak

ADC, verilerini analiz için sunabilir formda sıralayan bir DAQ birimine gönderir. Daha fazla analizin anahtarı, foton iyonizasyon akımı darbesinin şekli ile nötronun şekli arasındaki farkta yatmaktadır. Foton darbesi uçlarda (veya "kuyruklarda") daha uzundur, halbuki nötron darbesi iyi merkezlenmiştir. Bu gerçek, gelen nötronları tanımlamak ve gelen nötronların toplam oranını hesaplamak için kullanılabilir. Bu ayrıma yol açan adımlar (genellikle önde gelen ulusal laboratuarlarda, özellikle aralarında Jefferson Laboratuvarı'nda gerçekleştirilenler), geçitli darbe ekstraksiyonu ve farkın grafiğini çizmektir.

Geçitli darbe çıkarma

İyonizasyon akımı sinyallerinin tümü, aralarında yerel bir tepe noktası bulunan darbelerdir. Sürekli zamanda mantıksal bir AND geçidi kullanılarak (bir giriş olarak "1" ve "0" darbeli bir akışa ve diğer olarak akım sinyaline sahip olan), her akım darbe sinyalinin kuyruk kısmı çıkarılır. Bu kapılı ayrım yöntemi, sıvı sintilatörlerde düzenli olarak kullanılır. Geçitli gecikme ünitesi tam olarak bu amaca yöneliktir ve orijinal sinyalin gecikmeli bir kopyasını, osiloskop ekranındaki ana bölümünün yanında kuyruk bölümü görünecek şekilde yapar.

Kuyruk çıkarıldıktan sonra, normal akım entegrasyonu hem kuyruk bölümünde hem de tam sinyalde gerçekleştirilir. Bu, DAQ sistemindeki olay tablosunda saklanan her olay için iki iyonizasyon değeri verir.

Farkı çizmek

Şekil 2: Tüm olay enerjileri için çizilen tam darbede enerjiye karşı beklenen kuyruk enerjisi grafiği. Noktalar, olayların sayı yoğunluklarını temsil eder.

Bu adımda, analizin can alıcı noktası yatmaktadır: çıkarılan iyonizasyon değerleri grafiğe dökülür. Spesifik olarak, grafik bir dizi nötron enerjileri için tüm sinyaldeki enerji birikimine karşı kuyruktaki enerji birikimini gösterir. Tipik olarak, belirli bir enerji için, aynı kuyruk enerjisi değerine sahip birçok olay vardır. Bu durumda, çizilen noktalar, iki boyutlu grafik üzerinde daha fazla üst üste binen noktalarla basitçe daha yoğun hale getirilir ve bu nedenle, her bir enerji birikimine karşılık gelen olayların sayısını göz küresi yapmak için kullanılabilir. Grafikte tüm olayların önemli bir rastgele kesri (1/30) çizilir.

Çıkarılan kuyruk boyutu toplam darbenin sabit bir oranıysa, grafikte farklı eğimleri olan iki çizgi olacaktır. Daha büyük eğimli çizgi, foton olaylarına ve nötron olaylarına daha az eğimli çizgi karşılık gelecektir. Bunun nedeni, zamana karşı çizilen foton enerjisi biriktirme akımının, nötron biriktirme grafiğinden daha uzun bir "kuyruk" bırakması ve foton kuyruğuna toplam enerjinin nötron kuyruklarından daha fazla oranını vermesidir.

Herhangi bir algılama analizinin etkinliği, dedektöre çarpan nötron ve fotonların sayısını doğru bir şekilde sayma ve ayırma kabiliyetiyle görülebilir. Ayrıca, ikinci ve üçüncü adımların etkinliği, deneydeki olay oranlarının yönetilebilir olup olmadığını ortaya koymaktadır. Yukarıdaki adımlarda kolay nötron-foton ayrılmasına izin veren net grafikler elde edilebilirse, algılama etkili ve oranlar yönetilebilir olarak adlandırılabilir. Öte yandan, veri noktalarının lekelenmesi ve ayırt edilemezliği, olayların kolayca ayrılmasına izin vermeyecektir.

Hız kontrolü

Tespit oranları birçok yönden düşük tutulabilir. Olayların örneklenmesi, analiz için yalnızca birkaç olay seçmek için kullanılabilir. Oranlar, bir olay diğerinden ayırt edilemeyecek kadar yüksekse, fiziksel deneysel parametreler (kalkanlama, detektör-hedef mesafesi, katı açı, vb.), Mümkün olan en düşük oranları ve dolayısıyla ayırt edilebilir olayları vermek için manipüle edilebilir.

Daha ince tespit noktaları

Yol boyunca yanlış göstergeler olabileceğinden, burada önemli olan değişkenleri tam olarak gözlemlemek önemlidir. Örneğin, iyonlaşma akımları, yüksek oranlar anlamına gelmeyen, ancak başıboş olaylar için yüksek enerji birikimleri anlamına gelen periyodik yüksek dalgalanmalara neden olabilir. Bu dalgalanmalar, özellikle kurulumda çok fazla arka plan gürültüsü olduğu için, gerekçelendirilemezse sinizmle tablo haline getirilecek ve görüntülenecektir.

Deneycilerin osiloskoptaki her akım darbesinin tam olarak bir olaya karşılık geldiğinden nasıl emin olabileceği sorulabilir. Bu doğrudur çünkü nabız yaklaşık 50 ns sürer  ve maksimum Her saniyede 2 × 10 7 olay. Bu sayı genelde bir fiili, tipik hızı çok daha yüksektir büyüklük sırası yukarıda belirtildiği gibi, daha az. Bu, bir akım darbesi üreten iki partikül olma ihtimalinin çok düşük olduğu anlamına gelir. Mevcut darbelerin her biri 50 ns sürer ve önceki olaydan bir boşluktan sonra sonraki olayı kaydetmeye başlar.

Bazen daha yüksek gelen nötron enerjileri tarafından kolaylaştırılmasına rağmen, nötron tespiti, daha önce belirtilen tüm nedenlerden dolayı genellikle zor bir görevdir. Bu nedenle, daha iyi sintilatör tasarımı da ön plandadır ve sintilasyon detektörlerinin icadından bu yana arayış konusu olmuştur. Sintilasyon dedektörleri 1903'te Crookes tarafından icat edildi, ancak 1944'te Curran ve Baker tarafından PMT (foto-çoğaltıcı tüp) geliştirilinceye kadar çok verimli değildi. PMT, algılama sinyalini on kat çoğalttığı için güvenilir ve verimli bir algılama yöntemi sağlar. Öyle olsa bile, sintilasyon tasarımının, sintilasyonun yanı sıra nötron algılama için diğer seçeneklerde olduğu gibi, iyileştirme alanı vardır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma