Общие характеристики нейтронов

2.3.Нейтронный источник на пироэлектрических кристаллах.

Недавно появились сообщения о  создании малогабаритного нейтронного  источника, в котором используется свойство пироэлектрических кристаллов создавать сильные электрические  поля при их нагревании и охлаждении. Источник устроен следующим образом. В камере, заполненной дейтерием на расстоянии 15 мм размещались два пироэлектрических кристалла (10×20 мм LiTaO₃). Каждый кристалл нагревался с помощью термоэлектрического нагревателя (10 Вт) за 350 с до температуры 130^о С, а затем, после выключения питания нагревателя, охлаждался до комнатной температуры. Поверхность одного из кристаллов, который приобретает положительный заряд при нагревании и отрицательный заряд при охлаждения был покрыт слоем 50 мкм дейтерированного полистирола (C₈D₈)_n. Другой кристалл приобретал при нагревании отрицательный заряд, а при охлаждении - положительный. Под действием электрического поля между кристаллами происходила ионизация газа и ускорение ионов дейтерия. Максимальная энергия ускоренных таким образом дейтронов была 215 кэВ. В результате взаимодействия ускоренных ионов дейтерия с дейтериевой мишенью (дейтерированный полистирол) возникали нейтроны. Было зарегистрировано около 10⁴ нейтронов в одном цикле нагрева-охлаждения. Авторы отмечают, что использование реакции d(t,⁴He)n вместо d(d,³He)n позволит на более чем 2 порядка повысить выход нейтронов.

3.Регистрация нейтронов

Нейтроны – незаряженные частицы, и поэтому они не вызывают прямую ионизацию. Однако, при их взаимодействии с веществом образуются вторичные ионизирующие частицы и регистрация таких частиц позволяет зарегистрировать нейтроны.

Основные типы взаимодействий, используемых для регистрации нейтронов, следующие:

• реакция с бором-10, сопровождающаяся альфа-излучением;
• реакция с гелием-3, сопровождающаяся испусканием протона; и
• упругое рассеяние на ядрах водорода.

Первые два типа взаимодействия наиболее вероятны для нейтронов  с энергиями выше 0.5 эВ. Такие нейтроны находятся внизу области промежуточных  нейтронов и в области тепловых нейтронов (0.025 эВ) Для регистрации  быстрых нейтронов может использоваться упругое рассеяние.

3.1.Типы детекторов нейтронов

 

При выборе подходящего типа детектора  нейтронов необходимо принимать  во внимание несколько факторов:

• Чтобы быстрые нейтроны провзаимодействовали с материалом детектора, их необходимо замедлить (без поглощения), используя материал-замедлитель.
• Материал детектора должен иметь большое сечение взаимодействия (то есть высокую вероятность) протекания необходимой реакции для того, чтобы детекторы могли иметь не очень большие размеры.
• Тяжелые заряженные частицы, образовавшиеся при взаимодействии с материалом детектора, не должны выходить из активного объема детектора.

Следующие типы детекторов нейтронов  отвечают этим четырем требованиям:

• Пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым бором,
• Пропорциональные счетчики, наполненные гелием,
• Пропорциональные счётчики на ядрах отдачи,
• Пузырьковые детекторы.

 

3.1.1.Пропорциональные  счетчики 

Пропорциональные  счетчики, наполненные трехфтористым  бором

Пропорциональные счетчики, наполненные  трехфтористым бором, состоят из газонаполненного пропорционального  счетчика, содержащего трехфтористый  бор (BF₃), обогащенный по бору-10. Этот наполняющий детектор газ служит своего рода мишенью для поступающих тепловых нейтронов. В детекторе протекает ядерная реакция, представленная формулой 1:

¹⁰B + n ® ⁷Li + a [1]

Эта реакция часто записывается как: ¹⁰B(n,a)⁷Li.

Ядра лития и альфа-частица  имеют достаточную энергию, чтобы  вызвать вторичную ионизацию  в заполняющем детектор газе, которая  может быть зарегистрирована. Отметим, что при некоторых взаимодействиях  нейтронов испускается гамма-излучение  с энергией 0.48 МэВ. Поэтому для  разделения сигналов от падающих нейтронов  и результирующего гамма-излучения  необходима соответствующая схема  разделения.

Пропорциональные счетчики на основе BF₃ могут использоваться для регистрации промежуточных и быстрых нейтронов (до 10 МэВ). Однако, в этом случае детектор должен быть окружен таким замедлителем, как полиэтилен, чтобы снизить скорость нейтронов перед поглощением (смотрите Рисунок 20). Кадмиевые фильтры используются для обеспечения однородности по энергии.

Будучи хорошими детекторами тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов, счетчики на основе BF₃ могут также использоваться в целях спектроскопии нейтронов.

3.1.2.Пропорциональные счетчики, наполненные гелием

 

Пропорциональные счетчики на основе гелия во многих отношениях похожи на счетчики, наполненный BF₃. Основной механизм регистрации состоит в захвате тепловых нейтронов, но используя замедлитель, пропорциональные счетчики на основе гелия могут применяться для регистрации промежуточных и быстрых нейтронов.

Как следует из названия, пропорциональные счетчики на основе гелия используют гелий в качестве мишени и газа-наполнителя. Реакция, проходящая в газе-наполнителе, приведена в формуле 2:

 

³He + n ® ³H + p [2]           1.2

 

Часто пишут ³He(n,p)³H.

В этой реакции образуются ядро трития и протон, которые вызывают вторичную  ионизацию.

Кроме того, пропорциональные счетчики, наполненные гелием, могут использоваться для целей спектроскопии.

3.1.3.Пропорциональные счетчики на ядрах отдачи

 

В качестве механизма регистрации  в пропорциональных счётчиках на ядрах отдачи используется упругое  рассеяние на ядрах водорода. В  этих счетчиках нейтроны с энергиями  больше 500 кэВ регистрируются, с помощью  пропорционального счетчика, наполненного водородосодержащим газом таким, как  метан. Быстрый нейтрон сталкивается с ядром водорода (которое представляет собой один протон), передает ему энергию. Затем это ядро производит вторичную ионизацию.

В некоторых пропорциональных счётчиках  на ядрах отдачи используют такие  водородсодержащие материалы, как  полиэтилен, входящий в состав стенок счетчика. Такие счетчики окружается тонким слоем кадмия, который поглощает  тепловые нейтроны.

3.1.4.Пузырьковые детекторы

 

Пузырьковые детекторы содержат микроскопические капли жидкости, диспергированной в гелеобразном материале. Налетающие нейтроны передают микрокаплям достаточно энергии, чтобы они вскипели и возникает газовый пузырек. Эти пузырьки хорошо видны и могут быть подсчитаны

Пузырьковые детекторы перед (слева) и после (справа) облучения нейтронами

Доза нейтронного излучения  пропорциональна плотности пузырьков, которая остается неизменной пока дозиметр не будет восстановлен.

Пузырьковые дозиметры используются в основном в индивидуальной дозиметрии. Однако, они также могут быть использованы для мониторинга окружающей среды.

 

Заключение

При стремлении энергии нейтрона к нулю сечение упругого рассеяния  стремится к константе, а сечение  радиационного захвата растет в  соответствии с законом «l/v». Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль радиационного захвата.

В области густых резонансов интенсивности рассеяния и захвата  определяются соответствующими ширинами Гп и Гγ. Поскольку для каждого ядра радиационная ширина Гγ примерно постоянна, а нейтронная ширина Гп растет с энергией, то для резонансных нейтронов преобладает радиационный захват, а для промежуточных — упругое рассеяние.

Для быстрых нейтронов  упругое рассеяние по-прежнему играет важную роль. Кроме того, при повышении  энергии нейтронов становятся возможными различные эндотермические процессы.

На использовании реакции  деления основана работа ядерных  реакторов, т. е. вся ядерная энергетика и многие другие отрасли ядерной  промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Черняев, А.П. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. — М.: ФИЗМАЛИТ, 2004. — 152 с.
2. Широков, Ю.М. Ядерная физика / Ю.М. Широков, Н.П. Юдин. — М.: Наука, 1980. — 728 с.
3. Мухин, К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Кн. 1. Физика атомного ядра. Ч. 1. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 376 с.
4. Мухин, К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Кн. 1. Физика атомного ядра. Ч. 2. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 320 с.