Nick Connor

Los detectores de ionización gaseosa se usan ampliamente en plantas de energía nuclear, en su mayor parte, para medir partículas alfa y beta , neutrones y rayos gamma . Los detectores operan en las regiones de ionización, proporcionales y Geiger-Mueller con una disposición más sensible al tipo de radiación que se mide. Los detectores de neutrones utilizan cámaras de ionización o contadores proporcionales de diseño apropiado. Las cámaras de iones compensados, los contadores BF ₃ , los contadores de fisión y los contadores de retroceso de protones son ejemplos de detectores de neutrones.

Ventajas y desventajas dependiendo del voltaje del detector

La relación entre el voltaje aplicado y la altura del pulso en un detector es muy compleja. La altura del pulso y el número de pares de iones recogidos están directamente relacionados. Como se escribió, los voltajes pueden variar ampliamente según la geometría del detector y el tipo de gas y la presión. La figura indica esquemáticamente las diferentes regiones de voltaje para los rayos alfa, beta y gamma. Hay seis regiones operativas principales, donde tres (ionización, proporcional y región de Geiger-Mueller) son útiles para detectar la radiación ionizante. Estas requisitos se muestran a continuación. La curva alfa es más alta que la curva beta y gamma desde la región de recombinación a parte de la región de proporcionalidad limitada debido al mayor número de pares de iones producidos por la reacción inicial de la radiación incidente.

• Región de recombinación. A bajo voltaje, el campo eléctrico no es lo suficientemente grande como para acelerar electrones e iones. Los electrones e iones pueden recombinarse poco después de su producción, y solo una pequeña fracción de los electrones e iones producidos alcanza sus respectivos electrodos. Sin embargo, a medida que aumenta el voltaje del detector, una fracción cada vez mayor de los iones producidos llegará a los electrodos. Este aumento continúa hasta que se alcanza el voltaje de «saturación». El rango de voltaje operativo donde esto ocurre se denomina región de recombinación . Los detectores no funcionan en esta región, porque ni el número de recombinaciones ni el número de pares de iones producidos inicialmente se pueden determinar con precisión.
• Región de ionización . En la región de ionización, un aumento en el voltaje no causa un aumento sustancial en el número de pares de iones recogidos. El número de pares de iones recogidos por los electrodos es igual al número de pares de iones producidos por la radiación incidente, y depende del tipo y la energía de las partículas o rayos en la radiación incidente. Por lo tanto, en esta región la curva es plana. El voltaje debe ser mayor que el punto donde los pares de iones disociados pueden recombinarse. Por otro lado, el voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Los detectores en la región de ionización funcionan con una intensidad de campo eléctrico baja, seleccionada de tal manera que no se produzca la multiplicación de gases . Su corriente es independiente del voltaje aplicado, y sonse prefieren para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen «tiempo muerto», un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Mueller a altas tasas de dosis.
• Región proporcional . En la región proporcional, la carga acumulada aumenta con un aumento adicional en el voltaje del detector, mientras que el número de pares de iones primarios permanece sin cambios. Al aumentar el voltaje, los electrones primarios tienen suficiente aceleración y energía para que puedan ionizar átomos adicionales del medio. Estos iones secundarios formados también se aceleran causando un efecto conocido como avalanchas de Townsend , que crea un solo pulso eléctrico grande. Aunque hay una gran cantidad de iones secundarios (aproximadamente 10 ³ – 10 ⁵ ) para cada evento primario, la cámara siempre funciona de manera tal que la cantidad de iones secundarios es proporcionala la cantidad de eventos primarios. Es muy importante, porque la ionización primaria depende del tipo y la energía de las partículas o rayos en el campo de radiación interceptado. El número de pares de iones recogidos dividido por el número de pares de iones producidos por la ionización primaria proporciona el factor de amplificación de gas (denotado por A). La amplificación de gas que ocurre en esta región puede aumentar la cantidad total de ionización a un valor medible. El proceso de amplificación de carga mejora enormemente la relación señal / ruido del detector y reduce la subsiguiente amplificación electrónica requerida. Cuando los instrumentos se operan en la región proporcional, el voltaje debe mantenerse constante.Si un voltaje permanece constante, el factor de amplificación de gas tampoco cambia. Los instrumentos de detección de contador proporcional son muy sensibles a los bajos niveles de radiación. Además, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). Se pueden distinguir diferentes energías de radiación y diferentes tipos de radiación analizando la altura del pulso, ya que difieren significativamente en la ionización primaria.
• Región proporcional limitada . En la región proporcional limitada, el factor de amplificación de gas no continúa aumentando proporcionalmente al voltaje. Las ionizaciones adicionales y los efectos no lineales provocan que no exista proporcionalidad de la señal de salida a la energía depositada a un voltaje aplicado dado. El campo eléctrico en la cámara está distorsionado debido a la alta concentración de iones positivos. Los electrones libres son mucho más livianos que los iones positivos, por lo tanto, son atraídos hacia el electrodo central positivo mucho más rápido que los iones positivos hacia la pared de la cámara. La nube resultante de iones positivos cerca del electrodo conduce a distorsiones en la multiplicación de gases. Esta región generalmente se evita como una región de detección.
• Región Geiger-Mueller . En la región de Geiger-Mueller, el voltaje y, por lo tanto, el campo eléctrico es tan fuerte que pueden ocurrir avalanchas secundarias. Estas avalanchas pueden ser activadas y propagadas por fotones emitidos por átomos excitados en la avalancha original. Como estos fotones no se ven afectados por el campo eléctrico, pueden interactuar lejos (por ejemplo, lateralmente al eje) de la avalancha primaria, todo el tubo Geiger participa en el proceso. Una señal fuerte (el factor de amplificación puede alcanzar aproximadamente 10 ¹⁰) es producida por estas avalanchas con forma y altura independientemente de la ionización primaria y la energía del fotón detectado. Los detectores, que funcionan en la región Geiger-Mueller, son capaces de detectar rayos gamma, y ​​también de todo tipo de partículas cargadas, que pueden ingresar al detector. Estos detectores se conocen como contadores Geiger . La principal ventaja de estos instrumentos es que generalmente no requieren amplificadores de señal. Dado que los iones positivos no se alejan de la región de avalancha, una nube de iones cargada positivamente perturba el campo eléctrico y termina el proceso de avalancha. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de » enfriamiento «»Técnicas. A diferencia de los contadores proporcionales, la energía o incluso la partícula de radiación incidente no puede distinguirse por los contadores Geiger, ya que la señal de salida es independiente de la cantidad y el tipo de ionización original.
• Región de descarga . Finalmente, a voltajes aún más altos (por encima de la región de Geiger-Mueller), el campo eléctrico genera una descarga continua del medio, y la cámara ya no es sensible a ninguna ionización incidente. Esta región no se usa para la detección o medición de radiación ionizante. Si el voltaje del tubo Geiger se incrementa por encima del final de la meseta, la tasa de conteo comienza a aumentar rápidamente nuevamente, hasta el inicio de una descarga continua donde el tubo no puede detectar radiación y puede dañarse.

La relación entre el voltaje aplicado y la altura del pulso en un detector es muy compleja. La altura del pulso y el número de pares de iones recogidos están directamente relacionados. Como se escribió, los voltajes pueden variar ampliamente según la geometría del detector y el tipo de gas y la presión. La figura indica esquemáticamente las diferentes regiones de voltaje para los rayos alfa, beta y gamma. Hay seis regiones operativas principales, donde tres (ionización, proporcional y región de Geiger-Mueller) son útiles para detectar la radiación ionizante. Estas requisitos se muestran a continuación. La curva alfa es más alta que la curva beta y gamma desde la región de recombinación a parte de la región de proporcionalidad limitada debido al mayor número de pares de iones producidos por la reacción inicial de la radiación incidente.

Región de descarga

Finalmente, a voltajes aún más altos (por encima de la región de Geiger-Mueller), el campo eléctrico genera una descarga continua del medio, y la cámara ya no es sensible a ninguna ionización incidente. Esta región no se usa para la detección o medición de radiación ionizante. Si el voltaje del tubo Geiger se incrementa por encima del final de la meseta, la tasa de conteo comienza a aumentar rápidamente nuevamente, hasta el inicio de una descarga continua donde el tubo no puede detectar radiación y puede dañarse.

La relación entre el voltaje aplicado y la altura del pulso en un detector es muy compleja. La altura del pulso y el número de pares de iones recogidos están directamente relacionados. Como se escribió, los voltajes pueden variar ampliamente según la geometría del detector y el tipo de gas y la presión. La figura indica esquemáticamente las diferentes regiones de voltaje para los rayos alfa, beta y gamma. Hay seis regiones operativas principales, donde tres (ionización, proporcional y región de Geiger-Mueller) son útiles para detectar la radiación ionizante. Estas requisitos se muestran a continuación. La curva alfa es más alta que la curva beta y gamma desde la región de recombinación a parte de la región de proporcionalidad limitada debido al mayor número de pares de iones producidos por la reacción inicial de la radiación incidente.

Región Geiger-Mueller

En la región de Geiger-Mueller, el voltaje y, por lo tanto, el campo eléctrico es tan fuerte que pueden ocurrir avalanchas secundarias. Estas avalanchas pueden ser activadas y propagadas por fotones emitidos por átomos excitados en la avalancha original. Como estos fotones no se ven afectados por el campo eléctrico, pueden interactuar lejos (por ejemplo, lateralmente al eje) de la avalancha primaria, todo el tubo Geiger participa en el proceso. Una señal fuerte (el factor de amplificación puede alcanzar aproximadamente 10 ¹⁰) es producida por estas avalanchas con forma y altura independientemente de la ionización primaria y la energía del fotón detectado. Los detectores, que funcionan en la región Geiger-Mueller, son capaces de detectar rayos gamma, y ​​también de todo tipo de partículas cargadas, que pueden ingresar al detector. Estos detectores se conocen como contadores Geiger . La principal ventaja de estos instrumentos es que generalmente no requieren amplificadores de señal. Dado que los iones positivos no se alejan de la región de avalancha, una nube de iones cargada positivamente perturba el campo eléctrico y termina el proceso de avalancha. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de » enfriamiento «»Técnicas. A diferencia de los contadores proporcionales, la energía o incluso la partícula de radiación incidente no puede distinguirse por los contadores Geiger, ya que la señal de salida es independiente de la cantidad y el tipo de ionización original.

La relación entre el voltaje aplicado y la altura del pulso en un detector es muy compleja. La altura del pulso y el número de pares de iones recogidos están directamente relacionados. Como se escribió, los voltajes pueden variar ampliamente según la geometría del detector y el tipo de gas y la presión. La figura indica esquemáticamente las diferentes regiones de voltaje para los rayos alfa, beta y gamma. Hay seis regiones operativas principales, donde tres (ionización, proporcional y región de Geiger-Mueller) son útiles para detectar la radiación ionizante. Estas requisitos se muestran a continuación. La curva alfa es más alta que la curva beta y gamma desde la región de recombinación a parte de la región de proporcionalidad limitada debido al mayor número de pares de iones producidos por la reacción inicial de la radiación incidente.

Región proporcional limitada

En la región proporcional limitada, el factor de amplificación de gas no continúa aumentando proporcionalmente al voltaje. Las ionizaciones adicionales y los efectos no lineales provocan que no exista proporcionalidad de la señal de salida a la energía depositada a un voltaje aplicado dado. El campo eléctrico en la cámara está distorsionado debido a la alta concentración de iones positivos. Los electrones libres son mucho más livianos que los iones positivos, por lo tanto, son atraídos hacia el electrodo central positivo mucho más rápido que los iones positivos hacia la pared de la cámara. La nube resultante de iones positivos cerca del electrodo conduce a distorsiones en la multiplicación de gases. Esta región generalmente se evita como una región de detección.

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Materiales de centelleo: centelleadores

Los centelleadores son tipos de materiales que proporcionan fotones detectables en la parte visible del espectro de luz, después del paso de una partícula cargada o un fotón. El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente un fósforo, plástico u líquido orgánico que fluoresce cuando es golpeado por radiación ionizante. El centelleador también debe ser transparente a sus propias emisiones de luz y debe tener un tiempo de decaimiento corto. El centelleador también debe protegerse de toda la luz ambiental para que los fotones externos no empañen los eventos de ionización causados ​​por la radiación incidente. Para lograr esto, a menudo se usa una lámina delgada y opaca, como el mylar aluminizado, aunque debe tener una masa lo suficientemente baja como para minimizar la atenuación indebida de la radiación incidente que se mide.

Existen principalmente dos tipos de centelleadores de uso común en física nuclear y de partículas: centelleadores orgánicos o plásticos y centelleadores inorgánicos o cristalinos.

Centelladores inorgánicos

Los centelleadores inorgánicos son generalmente cristales que crecen en hornos de alta temperatura. Incluyen yoduro de litio (LiI), yoduro de sodio (NaI) , yoduro de cesio (CsI) y sulfuro de zinc (ZnS). El material de centelleo más utilizado es NaI (Tl) (yoduro de sodio dopado con talio). El yodo proporciona la mayor parte del poder de detención en el yoduro de sodio (ya que tiene un alto Z = 53). Estos centelleadores cristalinos se caracterizan por una alta densidad, un alto número atómico y tiempos de decaimiento de pulso de aproximadamente 1 microsegundo ( ~ 10 ^-6 segundos) El centelleo en cristales inorgánicos es típicamente más lento que en los orgánicos. Exhiben una alta eficiencia para la detección de rayos gamma y son capaces de manejar altas tasas de conteo. Los cristales inorgánicos se pueden cortar a tamaños pequeños y disponer en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad de posición. Esta característica es ampliamente utilizada en imágenes médicas para detectar rayos X o rayos gamma . Los centelleadores inorgánicos son mejores para detectar rayos gamma y rayos X que los centelleadores orgánicos. Esto se debe a su alta densidad y número atómico que da una alta densidad de electrones. Una desventaja de algunos cristales inorgánicos, por ejemplo, NaI, es su higroscopicidad., una propiedad que requiere que se alojen en un recipiente hermético para protegerlos de la humedad.

Yoduro de sodio dopado con talio – centelleadores de NaI (Tl)

El material de centelleo más utilizado es NaI (Tl) (yoduro de sodio dopado con talio) . NaI (Tl) como centelleador se usa en detectores de centelleo, tradicionalmente en medicina nuclear, geofísica, física nuclear y mediciones ambientales. El yodo proporciona la mayor parte del poder de detención en el yoduro de sodio (ya que tiene un alto Z = 53). Estos centelleadores cristalinos se caracterizan por una alta densidad, un alto número atómico y tiempos de decaimiento de pulso de aproximadamente 1 microsegundo (~ ^10-6 segundos). La longitud de onda de emisión máxima es de 415 nm.. El centelleo en cristales inorgánicos es típicamente más lento que en los orgánicos. Exhiben una alta eficiencia para la detección de rayos gamma y son capaces de manejar altas tasas de conteo. Los cristales inorgánicos se pueden cortar a tamaños pequeños y disponer en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad de posición. Esta característica es ampliamente utilizada en imágenes médicas para detectar rayos X o rayos gamma. Los centelleadores inorgánicos son mejores para detectar rayos gamma y rayos X. Esto se debe a su alta densidad y número atómico que da una alta densidad de electrones. Una desventaja de algunos cristales inorgánicos, por ejemplo, NaI, es su higroscopicidad, una propiedad que requiere que se alojen en un recipiente hermético para protegerlos de la humedad. Los cristales generalmente se acoplan con un tubo fotomultiplicador, en un conjunto herméticamente sellado.

Yoduro de cesio dopado con talio – centelleadores CsI (Tl)

El yoduro de cesio (CsI) en forma cristalina se utiliza como centelleador para la detección de protones y partículas alfa . Pure CsI es un material centelleante rápido y denso con un rendimiento de luz relativamente bajo que aumenta significativamente con el enfriamiento. Los inconvenientes de CsI son un gradiente de alta temperatura y una ligera higroscopicidad.

El yoduro de cesio dopado con talio tiene un número atómico efectivo de 54 y una densidad de 4.51 g / cm ³ . CsI ​​(TI) también es higroscópico y no debe someterse a alta humedad o agua. CsI ​​(TI) tiene diferentes tiempos de descomposición para diferentes partículas (680ns y 3340ns) y puede usarse para determinar entre diferentes tipos de radiación. El espectro de emisión alcanza su punto máximo a 540-560 nm.

Scintillators orgánicos

Los centelleadores orgánicos son tipos de materiales orgánicos que proporcionan fotones detectables en la parte visible del espectro de luz, después del paso de una partícula cargada o un fotón. El mecanismo de centelleo en los materiales orgánicos es bastante diferente del mecanismo en los cristales inorgánicos. En los centelleadores inorgánicos, por ejemplo, NaI, CsI, el centelleo surge debido a la estructura de la red cristalina. El mecanismo de fluorescencia en los materiales orgánicos surge de las transiciones en los niveles de energía de una sola molécula y, por lo tanto, la fluorescencia se puede observar independientemente del estado físico (vapor, líquido, sólido).

En general, los centelleadores orgánicos tienen tiempos de descomposición rápidos (típicamente ~ ^10-8 segundos ), mientras que los cristales inorgánicos son generalmente mucho más lentos (~ ^10-6 segundos), aunque algunos también tienen componentes rápidos en su respuesta. Hay tres tipos de centelleadores orgánicos:

• Cristales orgánicos puros . Los cristales orgánicos puros incluyen cristales de antraceno, estilbeno y naftaleno. El tiempo de descomposición de este tipo de fósforo es de aproximadamente 10 nanosegundos. Este tipo de cristal se usa con frecuencia en la detección de partículas beta . Son muy duraderos, pero su respuesta es anisotrópica (lo que estropea la resolución energética cuando la fuente no está colimada), y no pueden mecanizarse fácilmente, ni pueden cultivarse en grandes tamaños. Por lo tanto, no se usan con mucha frecuencia.
• Soluciones orgánicas líquidas . Las soluciones orgánicas líquidas se producen disolviendo un centelleador orgánico en un disolvente.
• Centelleadores de plástico . Los fósforos plásticos se hacen mediante la adición de productos químicos de centelleo a una matriz plástica. La constante de descomposición es la más corta de los tres tipos de fósforo, llegando a 1 o 2 nanosegundos. Por lo tanto, los centelleadores de plástico son más apropiados para su uso en entornos de alto flujo y en mediciones de alta tasa de dosis. El plástico tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo tanto, es útil para detectores rápidos de neutrones . Se necesita sustancialmente más energía para producir un fotón detectable en un centelleador que un par de iones de electrones a través de la ionización (típicamente por un factor de 10), y debido a que los centelleadores inorgánicos producen más luz que los centelleadores orgánicos, son, por consiguiente, mejores para aplicaciones a bajas energías. .

El centelleo es un destello de luz producido en un material transparente por el paso de una partícula (un electrón, una partícula alfa, un ion o un fotón de alta energía). El centelleo ocurre en el centelleador, que es una parte clave de un detector de centelleo. En general, un detector de centelleo consiste en:

• Scintillator . Un centelleador genera fotones en respuesta a la radiación incidente.
• Fotodetector . Un fotodetector sensible (generalmente un tubo fotomultiplicador (PMT), una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotodiodo), que convierte la luz en una señal eléctrica y electrónica para procesar esta señal.

Materiales de centelleo: centelleadores

Los centelleadores son tipos de materiales que proporcionan fotones detectables en la parte visible del espectro de luz, después del paso de una partícula cargada o un fotón. El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente un fósforo, plástico u líquido orgánico que fluoresce cuando es golpeado por radiación ionizante. El centelleador también debe ser transparente a sus propias emisiones de luz y debe tener un tiempo de decaimiento corto. El centelleador también debe protegerse de toda la luz ambiental para que los fotones externos no empañen los eventos de ionización causados ​​por la radiación incidente. Para lograr esto, a menudo se usa una lámina delgada y opaca, como el mylar aluminizado, aunque debe tener una masa lo suficientemente baja como para minimizar la atenuación indebida de la radiación incidente que se mide.

Existen principalmente dos tipos de centelleadores de uso común en física nuclear y de partículas: centelleadores orgánicos o plásticos y centelleadores inorgánicos o cristalinos.

Centelladores inorgánicos

Los centelleadores inorgánicos son generalmente cristales que crecen en hornos de alta temperatura. Incluyen yoduro de litio (LiI), yoduro de sodio (NaI) , yoduro de cesio (CsI) y sulfuro de zinc (ZnS). El material de centelleo más utilizado es NaI (Tl) (yoduro de sodio dopado con talio). El yodo proporciona la mayor parte del poder de detención en el yoduro de sodio (ya que tiene un alto Z = 53). Estos centelleadores cristalinos se caracterizan por una alta densidad, un alto número atómico y tiempos de decaimiento de pulso de aproximadamente 1 microsegundo ( ~ 10 ^-6 segundos) El centelleo en cristales inorgánicos es típicamente más lento que en los orgánicos. Exhiben una alta eficiencia para la detección de rayos gamma y son capaces de manejar altas tasas de conteo. Los cristales inorgánicos se pueden cortar a tamaños pequeños y disponer en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad de posición. Esta característica es ampliamente utilizada en imágenes médicas para detectar rayos X o rayos gamma . Los centelleadores inorgánicos son mejores para detectar rayos gamma y rayos X que los centelleadores orgánicos. Esto se debe a su alta densidad y número atómico que da una alta densidad de electrones. Una desventaja de algunos cristales inorgánicos, por ejemplo, NaI, es su higroscopicidad., una propiedad que requiere que se alojen en un recipiente hermético para protegerlos de la humedad.

Los neutrones libres se pueden clasificar según su energía cinética. Esta energía generalmente se da en electronvoltios (eV). El término temperatura también puede describir esta energía que representa el equilibrio térmico entre un neutrón y un medio con cierta temperatura.

Energías cinéticas de los neutrones – Neutrones rápidos

• Neutrones fríos  (0 eV; 0.025 eV). Neutrones en equilibrio térmico con entornos muy fríos como el deuterio líquido. Este espectro se utiliza para experimentos de dispersión de neutrones.
• Neutrones Térmicos . Neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante. La energía más probable a 20 ° C (68 ° F) para la distribución Maxwelliana es  0.025 eV  (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de neutrones constituye la parte más importante del espectro  en los reactores térmicos .
• Neutrones epitermales  (0.025 eV; 0.4 eV). Neutrones de energía cinética mayor que la térmica. Algunos de los diseños de reactores funcionan con el espectro de neutrones epitermales. Este diseño permite alcanzar una mayor relación de cría de combustible que en los reactores térmicos.

• 

  Neutrones de cadmio  (0.4 eV; 0.5 eV). Neutrones de energía cinética por debajo de la energía de  corte de cadmio  . Un isótopo de cadmio,  ¹¹³ Cd, absorbe los neutrones fuertemente solo si están por debajo de ~ 0.5 eV (energía de corte de cadmio).

• Neutrones de epicadmio  (0.5 eV; 1 eV). Neutrones de energía cinética por encima de la energía de  corte de cadmio . Estos neutrones no son absorbidos por el  cadmio .
• Neutrones lentos  (1 eV; 10 eV).
• Neutrones de resonancia  (10 eV; 300 eV). Los neutrones de resonancia  se llaman resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, las  secciones transversales pueden alcanzar picos más de 100 veces más altos como el valor base de la sección transversal. A estas energías, la captura de neutrones excede significativamente la probabilidad de  fisión . Por lo tanto, es muy importante (para los reactores térmicos) superar rápidamente este rango de energía y operar el reactor con neutrones térmicos, lo que aumenta la probabilidad de fisión.
• Neutrones intermedios  (300 eV; 1 MeV).
• Neutrones rápidos  (1 MeV; 20 MeV). Los neutrones de energía cinética mayores de 1 MeV (~ 15 000 km / s) generalmente se denominan neutrones de fisión. Estos neutrones son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o las reacciones (ɑ, n)  . Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para  ²³⁵ U de fisión ) 2 MeV. Dentro de un  reactor nuclear,  los neutrones rápidos se reducen a las energías térmicas a través de un proceso llamado  moderación de neutrones .
• Neutrones Relativistas  (20 MeV; ->)

La física del reactor  no necesita esta fina división de las energías de neutrones. Los neutrones se pueden dividir aproximadamente (para fines de física del reactor) en tres rangos de energía:

• Neutrones térmicos  (0.025 eV – 1 eV).
• Neutrones de resonancia  (1 eV – 1 keV).
• Neutrones rápidos  (1 keV – 10 MeV).

Incluso la mayoría de los códigos informáticos del reactor usan solo dos grupos de energía de neutrones:

• Grupo de neutrones lentos  (0.025 eV – 1 keV).
• Grupo de neutrones rápidos  (1 keV – 10 MeV).

Ver también:  energía de neutrones

Clasificación de reactores según el espectro de flujo de neutrones

Ver también: espectros de flujo de neutrones

Desde el punto de vista físico, las principales diferencias entre los  tipos de reactores  surgen de las diferencias en sus  espectros de energía de neutrones . De hecho, la  clasificación básica  de  los reactores nucleares  se basa en la energía promedio de los neutrones que causan la mayor parte de las  fisión  en el  núcleo del reactor . Desde este punto de vista, los reactores nucleares se dividen en  dos categorías :

• Reactores Térmicos  Casi todos los reactores actuales que se han construido hasta la fecha utilizan  neutrones térmicos  para mantener la  reacción en cadena . Estos reactores contienen  moderador de neutrones  que ralentiza los neutrones de la fisión hasta que su energía cinética está más o menos en  equilibrio térmico  con los átomos (E <1 eV) en el sistema.
• Reactores de neutrones rápidos .  Los reactores rápidos no contienen moderador de neutrones  y usan  refrigerantes primarios menos moderadores , porque usan  neutrones rápidos  (E> 1 keV), para causar fisión en su combustible.

Comparación de espectros de neutrones en un LWR típico   y un reactor reproductor rápido refrigerado por sodio . Tenga en cuenta que el  espectro del reactor rápido  se ve muy afectado por la  sección transversal de dispersión elástica  del refrigerante usado.

Las principales diferencias entre estos dos tipos están, por supuesto, en  las secciones transversales de neutrones , que exhiben una dependencia energética significativa  . Se puede caracterizar por la relación  captura-fisión , que es  menor en reactores rápidos . También hay una diferencia en el  número de neutrones producidos por una fisión , que es mayor en los reactores rápidos que en los reactores térmicos. Estas diferencias muy importantes son causadas principalmente por  diferencias en los flujos de neutrones . Por lo tanto, es muy importante conocer la distribución detallada de la energía de neutrones en el núcleo de un reactor.

Detección de neutrones usando la cámara de ionización

Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de los neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de una emisión gamma de 0.48 MeV  .

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo  el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando una cámara de ionización es usar el trifluoruro de boro gaseoso   (BF ₃ ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los  contadores BF ₃ generalmente se operan en la región proporcional.

Detección de neutrones usando el contador de centelleo

Como los neutrones son partículas eléctricamente neutras, están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.). Los neutrones rápidos (> 0.5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos.