Was ist der Typ von Neutronendetektoren – Definition

Der Nachweis von Neutronen ist sehr spezifisch, da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind  und daher hauptsächlich starken Kernkräften, jedoch keinen elektrischen Kräftenausgesetzt sind. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen in der Regelin geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ von Neutronendetektor mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Detektion von thermischen Neutronen

Thermische Neutronen sind Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit einem umgebenden Medium mit einer Temperatur von 290 K (17 ° C). Die wahrscheinlichste Energie bei 17 ° C für die Maxwellsche Verteilung ist 0,025 eV (~ 2 km / s). Dieser Teil des Energiespektrums von Neutronen ist der wichtigste Teil des Spektrums in thermischen Reaktoren .

Thermische Neutronen haben eine andere und häufig viel größere effektiven Neutronenabsorptionsquerschnitt ( fission oder Strahlungseinfang ) für eine gegebene Nuklid als schnelle Neutronen.

Im Allgemeinen gibt es viele Detektionsprinzipien und viele Arten von Detektoren. In Kernreaktoren sind Gasionisationsdetektoren am häufigsten, da sie sehr effizient und zuverlässig sind und einen weiten Bereich des Neutronenflusses abdecken. Verschiedene Arten von Gasionisationsdetektoren bilden das sogenannte  Excore Nuclear Instrumentation System (NIS) . Das Excore-Nuklearinstrumentierungssystem überwacht den Leistungspegel des Reaktors, indem es  Neutronenlecks  aus dem Reaktorkern erkennt .

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Ionisationskammern werden häufig als Vorrichtung zum Erfassen geladener Teilchen verwendet. Wenn zum Beispiel die innere Oberfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Schicht Bor beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind  10B (n, alpha) 7Li-  Reaktionen, die von 0,48 MeV begleitet werden 

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen bewirkt eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung einer Ionisationskammer besteht darin, das Gas  Bortrifluorid  (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer zu verwenden. Die einfallenden Neutronen produzieren Alpha-Partikel, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Mit beiden Methoden können Neutronen im Kernreaktor nachgewiesen werden. Es ist zu beachten, dass BF ₃  Zähler üblicherweise im Proportionalbereich betrieben werden.

Spaltkammer – Weitbereichsdetektoren

Spaltkammern  sind Ionisationsdetektoren zum Nachweis von Neutronen. Spaltkammern können als Zwischenbereichsdetektoren verwendet werden, um den Neutronenfluss (Reaktorleistung) auf dem Zwischenflussniveau zu überwachen. Sie liefern auch Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösesignale. Das Design dieses Instruments wurde so gewählt, dass eine Überlappung zwischen den Quellenbereichskanälen und der vollen Spannweite der Leistungsbereichsinstrumente gewährleistet ist.

Bei  Spaltkammern ist die Kammer mit einer dünnen Schicht aus hochangereichertem Uran-235 beschichtet   , um Neutronen nachzuweisen. Neutronen  ionisieren nicht direkt  und müssen normalerweise   in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Ein  thermisches Neutron  bewirkt die Spaltung eines Uran-235-Atoms  , wobei die beiden   erzeugten Spaltfragmente eine hohe  kinetische Energie aufweisen  und eine Ionisierung des Argongases im Detektor verursachen. Ein Vorteil der Verwendung einer Uran-235-Beschichtung anstelle von Bor-10 besteht darin, dass die Spaltfragmente eine viel höhere Energie aufweisen als die Alpha-Partikel aus einer Borreaktion. Deshalb Spaltkammern  sind  sehr empfindlich  gegenüber Neutronenfluss und dies ermöglicht es den Spaltkammern, in  höheren Gammafeldern zu arbeiten  als eine nicht kompensierte Ionenkammer mit Borauskleidung.

Aktivierungsfolien und Flussdrähte

Neutronen können mit Aktivierungsfolien und Flussdrähten nachgewiesen werden . Diese Methode basiert auf der Neutronenaktivierung, bei der eine analysierte Probe zuerst mit Neutronen bestrahlt wird , um spezifische Radionuklide herzustellen . Der radioaktive Zerfall dieser erzeugten Radionuklide ist für jedes Element (Nuklid) spezifisch. Jedes Nuklid emittiert die charakteristischen Gammastrahlen, die mittels Gammaspektroskopie gemessen werden , wobei bei einer bestimmten Energie detektierte Gammastrahlen ein bestimmtes Radionuklid anzeigen und die Konzentrationen der Elemente bestimmen.

Ausgewählte Materialien für Aktivierungsfolien sind zum Beispiel:

• Indium,
• Gold,
• Rhodium,
• Eisen
• Aluminium  
• Niob

Diese Elemente haben große Querschnitte zum Einfangen von Neutronen durch Strahlung . Die Verwendung mehrerer Absorberproben ermöglicht die Charakterisierung des Neutronenenergiespektrums. Die Aktivierung ermöglicht auch die Wiederherstellung einer historischen Neutronenexposition. Im Handel erhältliche Unfalldosimeter für die Kritikalität verwenden häufig dieses Verfahren. Durch Messung der Radioaktivität dünner Folien können wir die Menge an Neutronen bestimmen, denen die Folien ausgesetzt waren.

Flussdrähte können in Kernreaktoren verwendet werden, um Reaktorneutronenflussprofile zu messen. Prinzipien sind die gleichen. Draht oder Folie wird direkt in den Reaktorkern eingeführt und verbleibt für die für die Aktivierung erforderliche Zeit auf dem gewünschten Niveau im Kern. Nach der Aktivierung wird der Flussdraht oder die Folie schnell vom Reaktorkern entfernt und die Aktivität gezählt. Aktivierte Folien können auch Energieniveaus unterscheiden, indem sie eine Abdeckung über die Folie legen, um bestimmte Neutronen des Energieniveaus herauszufiltern (zu absorbieren). Beispielsweise wird Cadmium häufig verwendet, um thermische Neutronen in thermischen Neutronenfiltern zu absorbieren.

Detektion schneller Neutronen

Schnelle Neutronen sind Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV (~ 15 000 km / s). In Kernreaktoren werden diese Neutronen üblicherweise als Spaltneutronen bezeichnet. Die Spaltneutronen haben eine Maxwell-Boltzmann-Energieverteilung mit einer mittleren Energie (für 235U-Spaltung ) 2 MeV. In einem Kernreaktor werden die schnellen Neutronen durch einen als Neutronenmoderation bezeichneten Prozess auf die thermischen Energien verlangsamt. Diese Neutronen werden auch durch Kernprozesse wie Kernspaltung oder (ɑ, n) Reaktionen erzeugt .

Im Allgemeinen gibt es viele Erkennungsprinzipien und viele Arten von Detektoren. Aber es muss hinzugefügt werden, dass der Nachweis schneller Neutronen eine sehr ausgefeilte Disziplin ist, da der Querschnitt schneller Neutronen viel kleiner ist als im Energiebereich für langsame Neutronen. Schnelle Neutronen werden oft erkannt, indem sie zuerst auf thermische Energien gemildert (verlangsamt) werden. Während dieses Prozesses gehen jedoch die Informationen über die ursprüngliche Energie des Neutrons, seine Fahrtrichtung und die Emissionszeit verloren.

Protonenrückstoß – Rückstoßdetektoren

Der wichtigste Detektortyp für schnelle Neutronen sind solche, die Rückstoßteilchen direkt erfassen , insbesondere Rückstoßprotonen, die aus elastischer (n, p) Streuung resultieren. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne leicht genug für die praktische Anwendung. Im letzteren Fall werden die Rückstoßpartikel in einem Detektor erfasst. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator . Mit dieser Methode kann die Energie des Neutrons zusammen mit der Neutronenfluenz gemessen werden, dh der Detektor kann als Spektrometer verwendet werden. Typische schnelle Neutronendetektoren sind FlüssigszintillatorenEdelgasdetektoren auf Helium-4-Basis und Kunststoffdetektoren (Szintillatoren). Zum Beispiel hat der Kunststoff einen hohen Wasserstoffgehalt, daher ist er für schnelle Neutronendetektoren nützlich , wenn er als Szintillator verwendet wird.

Bonner Spheres Spektrometer

Es gibt verschiedene Methoden zum Nachweis langsamer Neutronen und wenige Methoden zum Nachweis schneller Neutronen. Daher besteht eine Technik zum Messen schneller Neutronen darin, sie in langsame
Neutronen umzuwandeln und dann die langsamen Neutronen zu messen. Eine der möglichen Methoden basiert auf Bonner-Kugeln . Das Verfahren wurde erstmals 1960 von Ewing und Tom W. Bonner beschrieben und verwendet thermische Neutronendetektoren (üblicherweise anorganische Szintillatoren wie ⁶ LiI), die in moderierende Kugeln unterschiedlicher Größe eingebettet sind.  Bonner-Kugeln wurden häufig zur Messung von Neutronenspektren mit Neutronenenergien im Bereich von thermisch bis mindestens 20 MeV verwendet. Ein Bonner-Kugel-Neutronenspektrometer (BSS) besteht aus einem thermischen Neutronendetektor und einer Reihe von Kugelschalen aus Polyethylenund zwei optionale Bleischalen in verschiedenen Größen. Zum Nachweis von thermischen Neutronen können ein ³ He-Detektor oder anorganische Szintillatoren wie ⁶ LiI verwendet werden. LiGlass-Szintillatoren sind sehr beliebt zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

Detektion von Neutronen mit dem Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Neutronen . Da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich  starken Kernkräften ausgesetzt  , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen  nicht direkt  und müssen normalerweise  in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ eines Neutronendetektors mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.  Schnelle Neutronen  (> 0,5 MeV) beruhen hauptsächlich auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Wasserstoffreiche Materialien, beispielsweise  Kunststoffszintillatorensind daher für ihre Erkennung am besten geeignet. Thermische Neutronen  beruhen auf Kernreaktionen wie den (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um eine Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders gut zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von 6LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.