O que é o conversor de nêutrons – Como os nêutrons podem ser detectados – Definição

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 ruins sobre a energia 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.

Exemplo – Conversor de Nêutrons

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.

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.