Qué es el convertidor de neutrones – Cómo se pueden detectar los neutrones – Definición

La detección de neutrones es muy específica, dado que los neutrones son partículas eléctricamente neutras, por  lo que están sujetos principalmente a fuerzas nucleares fuertes 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.).

Convertidores de neutrones

Para este propósito, hay disponibles dos tipos básicos de interacciones de neutrones con la materia:

• Dispersión elástica . El neutrón libre puede ser dispersado por un núcleo, transfiriendo parte de su energía cinética al núcleo. Si el neutrón tiene suficiente energía para dispersar los núcleos, el núcleo que retrocede ioniza el material que rodea el convertidor. De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente livianos para una aplicación práctica. La carga producida de esta manera puede ser recogida por el detector convencional para producir una señal detectada. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos de luz. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos (los neutrones rápidos no tienen una sección transversal alta para la absorción) permitiendo la detección de neutrones rápidos sin un moderador .
• Absorción de neutrones . Este es un método común que permite la detección de neutrones de todo el espectro de energía . Este método se basa en una variedad de reacciones de absorción ( captura de radiación , fisión nuclear , reacciones de reordenamiento, etc.). Aquí el neutrón es absorbido por el material objetivo (convertidor) que emite partículas secundarias como protones, partículas alfa, partículas beta, fotones ( rayos gamma ) o fragmentos de fisión. Algunas reacciones son reacciones de umbral (que requieren una energía mínima de neutrones), pero la mayoría de las reacciones se producen a energías epitermales y térmicas.. Eso significa que se requiere la moderación de los neutrones rápidos, lo que conduce a una información energética deficiente de los neutrones. Los núcleos más comunes para el material convertidor de neutrones son:
  • ¹⁰ B (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 3820 graneros y el boro naturaltiene una abundancia de ¹⁰ B 19,8%.
  • ³ Él (n, p). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 5350 graneros y el helio natural tiene una abundancia de ³ He 0.014%.
  • ⁶ Li (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 925 graneros y el litio natural tiene una abundancia de ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 20820 graneros y el cadmio naturaltiene una abundancia de ¹¹³ Cd 12,2%.
  • ²³⁵ U (n, fisión). Donde la sección transversal de fisión para neutrones térmicos es σ = 585 graneros y el uranio natural tiene una abundancia de ²³⁵ U 0.711%. El uranio como convertidor produce fragmentos de fisión que son partículas cargadas pesadas. Esto tiene una ventaja significativa. Las partículas cargadas pesadas (fragmentos de fisión) crean una señal de salida alta, porque los fragmentos depositan una gran cantidad de energía en un volumen sensible al detector. Esto permite una fácil discriminación de la radiación de fondo (radiación ei gamma). Esta característica importante se puede utilizar, por ejemplo, en una medición de potencia de un reactor nuclear, donde el campo de neutrones se acompaña de un fondo gamma significativo.

Ejemplo: convertidor de neutrones

Cámara de fisión – Detectores de amplio rango

Las cámaras de fisión  son detectores de ionización utilizados para detectar neutrones. Las cámaras de fisión pueden usarse como detectores de rango intermedio para monitorear el flujo de neutrones (potencia del reactor) al nivel de flujo intermedio. También proporcionan indicaciones, alarmas y señales de disparo del reactor. El diseño de este instrumento se elige para proporcionar una superposición entre los canales de rango de fuente y el rango completo de los instrumentos de rango de potencia.

En el caso de las cámaras de  fisión , la cámara está recubierta con una capa delgada de uranio 235 altamente enriquecido   para detectar neutrones. Los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. A  neutrones térmicos  causará un átomo de uranio-235 a  la fisión , con los dos  fisión fragmentos  producidos que tiene una alta  energía cinética  y causando la ionización del gas argón dentro del detector. Una ventaja de usar el recubrimiento de uranio-235 en lugar de boro-10 es que los fragmentos de fisión tienen una energía mucho mayor que la partícula alfa de una reacción de boro. Por lo tanto Las cámaras de fisión  son  muy sensibles  al flujo de neutrones y esto permite que las cámaras de fisión operen en  campos gamma más altos  que una cámara de iones sin compensación con revestimiento de boro.

Proton Recoil – Detectores de retroceso

El tipo más importante de detectores para neutrones rápidos son aquellos que detectan directamente las partículas de retroceso , en particular los protones de retroceso resultantes de la dispersión elástica (n, p). De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente livianos para una aplicación práctica. En el último caso, las partículas de retroceso se detectan en un detector. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos de luz. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos que permiten la detección de neutrones rápidos sin un moderador . Este método permite medir la energía del neutrón junto con la fluencia de neutrones, es decir, el detector puede usarse como un espectrómetro. Los detectores de neutrones rápidos típicos son centelleadores líquidos., detectores de gases nobles a base de helio-4 y detectores de plástico (centelleadores). Por ejemplo, el plástico tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo tanto, es útil para detectores de neutrones rápidos , cuando se usa como centelleador.