Transcript Detektory neutronů

Detektory a spektrometry neutronů
1) Úvod a základní principy
2) Detektory pomalých neutronů (tepelných, epitermálních, rezonančních)
3) Detektory rychlých neutronů
4) Detektory relativistických a ultrarelativistických neutronů
Detekce neutronů – pomocí jaderných reakcí kde se energie předává
nabitým částicím nebo takové částice vznikají
Následek:
1) Komplikované reakce → silná závislost účinnosti na energii
2) Malá účinnost → nutnost velkých objemů
3) Ztrácí jen část energie → komplikované určování energie → časté
využití TOF
Medipix-2
Bonnerovy koule v NPL (Anglie
Využití neutronografie
Využívané reakce: neutron + jádro → odražené jádro
proton
deuteron
triton
alfa částice
štěpné produkty
Velmi silná závislost účinného průřezu na energii
Detektory složené: 1) Konvertor – vznik nabitých částic
2) Detektor nabitých částic
Komplikované struktury
konvertoru a detektoru
UTEF ČVUT
Požadavky na materiál konvertoru a detektoru:
1) Velký účinný průřez využívané reakce
2) Vysoká uvolněná energie (pro detekci nízkoenergetických neutronů)
nebo vysoká konverze kinetické energie
3) Možnost rozlišení fotonů a neutronů
4) Co nejnižší cena na produkci materiálu
A) Neutronové čítače – proporcionální čítač, konvertor přímo pracovní plyn nebo
příměs, případně obsažen ve stěnách
B) Scintilátory – organické (odražené protony a uhlík), dopované konvertorem
kapalné (NE213) nebo plastikové (NE102A)
Detektory pomalých neutronů
Výběr materiálu s velkým účinným průřezem pro tepelné rezonanční neutrony
Důležitá nízká efektivita na záření gama
Exoergické reakce → energie uvolněná v detektoru je dána energií reakce
Energie určena například z doby letu
1) Detektory na základě reakcí s bórem:
A) BF3 proporciální komora
BF3 souží jako neutronový konvertor i jako
plynná náplň proporciálního čitače
Vysoké obohacení o izotop 10B
Nízká efektivita na záření gama
B) Bor na stěnách a alternativní plynová náplň
C) Scintilátory s obsahem bóru
Využití možnosti rozlišení neutronů a fotonů pomocí tvaru pulsu
2) Detektory založené na reakcích 6Li
3) Detektory založené na reakcích 3He – proporciální čítače – konvertor zároveň náplň
4) Detektory založené na štěpení
Krystalové difrakční spektrometry a interferometry
Využití difrakce: 1) Určení energie neutronů
2) Určení struktury krystalů
Využití ohybu krystalu pro změnu měřené
energie
Monochromátory využívající odrazu
neutronový difraktometr ÚJF AVČR
Mechanické monochromátory
rotující absorpční disky – vhodně uspořádané otvory
velmi přesné měření energie nízkoenergetických neutronů
Detektory rychlých neutronů
Využití moderace na pomalé neutrony
Plastické a kapalné scintilátory – zároveň detekce
i moderace
Bonnerovy koule:
organický moderátor okolo neutronového
detektoru tepelných neutronů
Spektrometrie:
různý průměr – moderace neutronů s různou
maximální energií
rekonstrukce spektra z naměřených četností
z různě velikých koulí
Simulace odezvy pomocí Monte Carlo programů
Výhody: jednoduchost, široký energetický rozsah
Nevýhody: Velmi malé energetické rozlišení
Bonnerovy koule v NPL (Anglie)
jejich využití ve spektrometrii
Detektory a spektrometry založené na pružném rozptylu neutronů
Scintilační (např. NE213):
Odezva L:
L  kE
3
2
odtud dostaneme:
Energie vyjádřena z odezvy:
Je-li:
dN
 konst
dE
2
1
E  L3
k
potom:
1
dL 3
 kE 2
dE 2
dN
1

dN dE
konst
3




kons
t

L

dL dL 3 12
kE
dE 2
(pro rozptyl neutronů s E < 10 MeV) na protonech
Další faktory: 1) vliv okraje
2) mnohonásobný rozptyl 3) rozptyl na uhlíku
4) rozlišení detektoru
5) konkurenční reakce při větších En
Závislost odezvy na energii
Závislost změny odezvy
s energií na energii
Energetické rozdělení
odražených jader (protonů)
Rozdělení odezvy
v detektoru
Neutronový spektrometr založený na odražených protonech
1) Detekce a určení energie Ep odražených
protonu.
ψ
2) využití znalosti úhlu odrazu ψ
terč s velkým
obsahem vodíku
Široká škála využívaných detektorů
Problémy:
1) Vhodná velikost terče
2) Přesnost určení úhlu
detektor protonů
TOF spektrometry
Nejpřesnější určování energie neutronů
E KIN
 1

 E0 
 1
 1  2



2
v L
β 
c tc
σ E KIN
β2
σ  σ 

(E KIN  E 0 )  L    t 
2
1 β
 L   t 
2
Problém interakčního místa a tloušťky detektoru
d = 4,3 m
Δd = 0,25 m,
Δt = 350 ps 
Použití anorganických scintilátorů při
detekci relativistických neutronů:
E[GeV] ΔE/E
0,1
0,02
1.5
0.15
TOF spektrum neutronů ze
srážky Bi + Pb (E = 1 GeV/A)
 ( E )   0 ( E )e   ( E ) L
THR
Odezva detektoru BaF2 na relativistické
neutrony
Závislost účinnosti BaF2 na
energii neutronu pro různé prahy
srovnání elmg a hadronové spršky
Aktivační detektory neutronů
Sendviče fólií z různých materiálů (většinou monoizotopických)
Využití různých prahových reakcí → určení spektra neutronů
Měření rezonančních neutronů pro různé (n,γ) reakce
(pozor na vliv pohlcení neutronů ve folii)
Problém s rekonstrukcí spektra → možnost přímo
srovnávat počty aktivovaných jader
Výhody: jednoduchost, malý detektor lze vložit všude
Nevýhody: složitější interpretace
Indukované štěpení & emulze
kombinace 235U,
238U, 208Pb
Počítání počtu ionizačních stop
štěpných fragmentů