Was ist thermische Neutronenerkennung – Definition

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 ist so gewählt, dass es eine Überlappung zwischen den Quellbereichskanälen und der gesamten Spannweite der Leistungsbereichskanäle bietet.

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.