O que é detecção de nêutrons – Definição

Os nêutrons não ionizam diretamente e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes de serem detectadas. Detecção de nêutrons. Dosimetria de Radiação
detecção de nêutrons
Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor e um dos detectores de radiação convencionais.
Fonte: large.stanford.edu

A detecção de nêutrons é muito específica, uma vez que os nêutrons são partículas eletricamente neutras;  portanto, estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Conversores de nêutrons

Dois tipos básicos de interações de nêutrons com a matéria estão disponíveis para esse fim:

  • Espalhamento elástico . O nêutron livre pode ser espalhado por um núcleo, transferindo parte de sua energia cinética para o núcleo. Se o nêutron tiver energia suficiente para dispersar os núcleos, o núcleo de recuo ioniza o material ao redor do conversor. De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. A carga produzida dessa maneira pode ser coletada pelo detector convencional para produzir um sinal detectado. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos (os nêutrons rápidos não possuem uma seção transversal alta para absorção), permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador .
  • Absorção de nêutrons . Este é um método comum que permite a detecção de nêutrons de todo o espectro de energia . Este método baseia-se em várias reações de absorção ( captura de radiação , fissão nuclear , reações de rearranjo, etc.). O nêutron é aqui absorvido pelo material alvo (conversor) que emite partículas secundárias , como prótons, partículas alfa, partículas beta, fótons ( raios gama ) ou fragmentos de fissão. Algumas reações são reações limiares (exigindo uma energia mínima de nêutrons), mas a maioria das reações ocorre nas energias epitérmica e térmica. Isso significa que a moderação dos nêutrons rápidos é necessária, levando a informações de energia insuficiente dos nêutrons. Os núcleos mais comuns para o material conversor de nêutrons são:
    • 10 B (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 3820 celeiros e o boro naturalpossui abundância de 10 B 19,8%.
    • 3 Ele (n, p). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 5350 celeiros e o hélio natural possui abundância de 3 He 0,014%.
    • 6 Li (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 925 celeiros e o lítio natural tem abundância de 6 Li 7,4%.
    • 113 Cd (n, ɣ). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 20820 celeiros e o cádmio naturalpossui abundância de 113 Cd 12,2%.
    • 235 U (n, fissão). Onde a seção de fissão para nêutrons térmicos é σ = 585 celeiros e o urânio natural tem abundância de 235 U 0,711%. O urânio como conversor produz fragmentos de fissão que são partículas carregadas pesadas. Isso tem uma vantagem significativa. As partículas carregadas pesadas (fragmentos de fissão) criam um sinal de saída alto, porque os fragmentos depositam uma grande quantidade de energia em um volume sensível ao detector. Isso permite uma discriminação fácil da radiação de fundo (radiação ei gama). Esta característica importante pode ser usada, por exemplo, em uma medição de potência de reator nuclear, em que o campo de nêutrons é acompanhado por um fundo gama significativo.

Detecção de nêutrons térmicos

Nêutrons térmicos são nêutrons em equilíbrio térmico com um meio ambiente de temperatura 290K (17 ° C ou 62 ° F). A energia mais provável a 17 ° C (62 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de 0,025 eV (~ 2 km / s). Essa parte do espectro de energia dos nêutrons constitui a parte mais importante do espectro em reatores térmicos .

Os nêutrons térmicos têm uma seção transversal de absorção de nêutrons eficaz diferente e muitas vezes muito maior ( fissão ou captura radiativa ) para um determinado nuclídeo que os nêutrons rápidos.

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Nos reatores nucleares, os detectores de ionização gasosa são os mais comuns, pois são muito eficientes, confiáveis ​​e cobrem uma ampla gama de fluxos de nêutrons. Vários tipos de detectores de ionização gasosa constituem o chamado  sistema de instrumentação nuclear excore (NIS) . O sistema de instrumentação nuclear excore monitora o nível de potência do reator  detectando vazamentos de nêutrons  do núcleo do reator.

Detecção de nêutrons usando câmara de ionização

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações  10B (n, alfa) 7Li  acompanhadas por 0,48 MeV (n, alfa) reações de 10B

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo  o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso   (BF 3 ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os  contadores BF 3 geralmente são operados na região proporcional.

Câmara de fissão – detectores de ampla faixa

As câmaras de fissão  são detectores de ionização usados ​​para detectar nêutrons. As câmaras de fissão podem ser usadas como detectores de faixa intermediária para monitorar o fluxo de nêutrons (potência do reator) no nível do fluxo intermediário. Eles também fornecem indicação, alarmes e sinais de disparo do reator. O design deste instrumento é escolhido para fornecer sobreposição entre os canais da faixa da fonte e a amplitude total dos instrumentos da faixa de potência.

No caso de câmaras de  fissão , a câmara é revestida com uma fina camada de urânio 235 altamente enriquecido   para detectar nêutrons. Os nêutrons  não ionizam diretamente  e geralmente precisam ser  convertidos  em partículas carregadas antes de serem detectadas. Um  nêutron térmico  causará a fissão de um átomo de urânio-235  , com os dois  fragmentos de fissão  produzidos com alta  energia cinética  e causando ionização do gás argônio no detector. Uma vantagem do uso de revestimento de urânio-235 em vez do boro-10 é que os fragmentos de fissão têm uma energia muito maior do que a partícula alfa de uma reação de boro. Portanto As câmaras de fissão  são  muito sensíveis  ao fluxo de nêutrons e isso permite que as câmaras de fissão operem em  campos gama mais altos do  que uma câmara de íons descompensada com revestimento de boro.

Folhas de ativação e fios de fluxo

Os nêutrons podem ser detectados usando folhas de ativação e fios de fluxo . Este método é baseado na ativação de nêutrons, onde uma amostra analisada é primeiro irradiada com nêutrons para produzir radionuclídeos específicos . O decaimento radioativo desses radionuclídeos produzidos é específico para cada elemento (nuclídeo). Cada nuclídeo emite os raios gama característicos que são medidos usando espectroscopia gama , onde os raios gama detectados em uma energia específica são indicativos de um radionuclídeo específico e determinam as concentrações dos elementos.

Os materiais selecionados para folhas de ativação são, por exemplo:

  • índio,
  • ouro,
  • ródio,
  • ferro
  • alumínio  
  • nióbio

Esses elementos têm grandes seções transversais para a captura radiativa de nêutrons . O uso de múltiplas amostras de absorvedores permite a caracterização do espectro de energia de nêutrons. A ativação também permite a recreação de uma exposição histórica a nêutrons. Os dosímetros de acidentes por criticidade comercialmente disponíveis geralmente utilizam esse método. Medindo a radioatividade de folhas finas, podemos determinar a quantidade de nêutrons a que as folhas foram expostas.

Os fios de fluxo podem ser usados ​​em reatores nucleares para medir os perfis de fluxo de nêutrons do reator. Princípios são os mesmos. O fio ou a folha é inserido diretamente no núcleo do reator , permanece no núcleo pelo período de tempo necessário para a ativação no nível desejado. Após a ativação, o fio ou a película de fluxo é rapidamente removido do núcleo do reator e a atividade é contada. As folhas ativadas também podem discriminar os níveis de energia, colocando uma cobertura sobre a folha para filtrar (absorver) certos nêutrons do nível de energia. Por exemplo, o cádmio é amplamente utilizado para absorver nêutrons térmicos em filtros de nêutrons térmicos.

Detecção de nêutrons rápidos

Nêutrons rápidos são nêutrons de energia cinética maiores que 1 MeV (~ 15.000 km / s). Nos reatores nucleares, esses nêutrons são geralmente chamados de nêutrons de fissão. Os nêutrons de fissão têm uma distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann com uma energia média (para fissão de 235U ) 2 MeV. Dentro de um reator nuclear, os nêutrons rápidos são reduzidos às energias térmicas através de um processo chamado moderação de nêutrons . Esses nêutrons também são produzidos por processos nucleares, como fissão nuclear ou reações (ɑ, n).

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Mas é preciso acrescentar que a detecção de nêutrons rápidos é uma disciplina muito sofisticada, pois a seção transversal dos nêutrons rápidos é muito menor do que na faixa de energia dos nêutrons lentos. Os nêutrons rápidos são frequentemente detectados pela moderação (desaceleração) das energias térmicas. No entanto, durante esse processo, as informações sobre a energia original do nêutron, sua direção de viagem e o tempo de emissão são perdidas.

Recoil de prótons – detectores de recuo

O tipo mais importante de detectores para nêutrons rápidos são aqueles que detectam diretamente partículas de recolhimento , em particular prótons de recolhimento resultantes da dispersão elástica (n, p). De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. Neste último caso, as partículas de recuo são detectadas em um detector. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos, permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador . Este método permite que a energia do nêutron seja medida juntamente com a fluência do nêutron, ou seja, o detector pode ser usado como um espectrômetro. Os detectores rápidos de nêutrons típicos são cintiladores líquidos, detectores de gás nobre à base de hélio-4 e detectores de plástico (cintiladores). Por exemplo, o plástico tem um alto teor de hidrogênio, portanto, é útil para detectores rápidos de nêutrons , quando usado como cintilador.

Espectrômetro de esferas Bonner

Existem vários métodos para detectar nêutrons lentos e poucos métodos para detectar nêutrons rápidos. Portanto, uma técnica para medir nêutrons rápidos é convertê-los em
nêutrons lentos e depois medir os nêutrons lentos. Um dos métodos possíveis é baseado nas esferas de Bonner . O método foi descrito pela primeira vez em 1960 por Ewing e Tom W. Bonner e emprega detectores térmicos de nêutrons (geralmente cintiladores inorgânicos como o 6 LiI) embutidos em esferas moderadoras de tamanhos diferentes.  As esferas de Bonner têm sido amplamente utilizadas para a medição de espectros de nêutrons com energias de nêutrons variando de térmicas a pelo menos 20 MeV. Um espectrômetro de nêutrons de esfera Bonner (BSS) consiste em um detector de nêutrons térmicos, um conjunto de invólucros esféricos de polietilenoe duas cascas de chumbo opcionais de vários tamanhos. Para detectar nêutrons térmicos, um detector de 3 He ou cintiladores inorgânicos como 6 LiI podem ser usados. Os cintiladores LiGlass são muito populares na detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Detecção de nêutrons usando o contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles podem ser usados ​​também para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

  • Nêutrons . Como os nêutrons são  partículas eletricamente neutras,  elas estão sujeitas principalmente a  fortes forças nucleares,  mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são  diretamente ionizantes  e geralmente precisam ser  convertidos  em partículas carregadas antes de serem detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).  Os nêutrons rápidos  (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo,  cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos  dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores 6LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.net ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.