Was ist der Nachweis von Neutronen – Definition

Neutronen ionisieren nicht direkt und müssen normalerweise in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Detektion von Neutronen. Strahlendosimetrie
Neutronendetektion
Generell muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren ausgestattet sein.
Quelle: large.stanford.edu

Der Nachweis von Neutronen ist sehr spezifisch, da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind  und daher hauptsächlich starken Kernkräften, jedoch keinen elektrischen Kräftenausgesetzt sind. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen in der Regelin geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ von Neutronendetektor mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Neutronen-Konverter

Zu diesem Zweck stehen zwei grundlegende Arten von Neutronenwechselwirkungen mit Materie zur Verfügung:

  • Elastische Streuung . Das freie Neutron kann von einem Kern gestreut werden und einen Teil seiner kinetischen Energie auf den Kern übertragen. Wenn das Neutron genug Energie hat, um Kerne zu zerstreuen, ionisiert der Rückstoßkern das Material, das den Konverter umgibt. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne für die praktische Anwendung leicht genug. Auf diese Weise erzeugte Ladung kann durch den herkömmlichen Detektor gesammelt werden, um ein detektiertes Signal zu erzeugen. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen (schnelle Neutronen haben keinen hohen Absorptionsquerschnitt) und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator .
  • Neutronenabsorption . Dies ist eine übliche Methode, mit der Neutronen des gesamten Energiespektrums nachgewiesen werden können . Diese Methode basiert auf verschiedenen Absorptionsreaktionen ( Strahlungseinfang , Kernspaltung , Umlagerungsreaktionen usw.). Das Neutron wird dabei von Targetmaterial (Konverter) absorbiert, das Sekundärteilchen wie Protonen, Alphateilchen, Betateilchen, Photonen ( Gammastrahlen ) oder Spaltfragmente emittiert . Einige Reaktionen sind Schwellenreaktionen (die eine minimale Energie von Neutronen erfordern), aber die meisten Reaktionen treten bei epithermalen und thermischen Energien auf. Dies bedeutet, dass die Moderation schneller Neutronen erforderlich ist, was zu einer schlechten Energieinformation der Neutronen führt. Die gebräuchlichsten Kerne für das Neutronenkonvertermaterial sind:
    • 10 B (n, α). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 3820 ist und das natürliche Bor einenAnteilvon 10 B 19,8% hat.
    • 3 He (n, p). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 5350 ist und das natürliche Helium einenAnteilvon 3 He 0,014% aufweist.
    • 6 Li (n, α). Bei einem Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen von σ = 925 Scheunen und einem natürlichen Lithiumgehalt von 6 Li 7,4%.
    • 113 Cd (n, ɣ). Wo der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 20820 ist und das natürliche Cadmium einenAnteilvon 113 Cd 12,2% hat.
    • 235 U (n, Spaltung). Bei einem Spaltquerschnitt für thermische Neutronen von σ = 585 Scheunen und einem natürlichen Urangehalt von 235 U 0,711%. Uran als Konverter produziert Spaltfragmente, bei denen es sich um schwer geladene Teilchen handelt. Dies hat erhebliche Vorteile. Die stark geladenen Teilchen (Spaltfragmente) erzeugen ein hohes Ausgangssignal, weil die Fragmente eine große Menge Energie in einem detektorsensitiven Volumen ablegen. Dies ermöglicht eine einfache Unterscheidung der Hintergrundstrahlung (Ei- Gammastrahlung). Dieses wichtige Merkmal kann beispielsweise bei einer Kernreaktorleistungsmessung verwendet werden, bei der das Neutronenfeld von einem signifikanten Gamma-Hintergrund begleitet wird.

Detektion von thermischen Neutronen

Thermische Neutronen sind Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit einem umgebenden Medium mit einer Temperatur von 290 K (17 ° C oder 62 ° F). Die wahrscheinlichste Energie bei 17 ° C (62 ° F) für die Maxwellsche Verteilung beträgt 0,025 eV (~ 2 km / s). Dieser Teil des Neutronenenergiespektrums bildet den wichtigsten 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 Erkennungsprinzipien und viele Arten von Detektoren. In Kernreaktoren sind gasförmige Ionisationsdetektoren am gebräuchlichsten, da sie sehr effizient und zuverlässig sind und einen weiten Bereich des Neutronenflusses abdecken. Verschiedene Arten von gasförmigen Ionisationsdetektoren bilden das sogenannte  Excore Nuclear Instrumentation System (NIS) . Das Excore-Nuklearinstrumentierungssystem überwacht den Leistungspegel des Reaktors durch  Erfassen eines Neutronenlecks  aus dem Reaktorkern.

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Ionisationskammern werden häufig als Detektionsvorrichtung für geladene Teilchen verwendet. Wenn beispielsweise die innere Oberfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Borschicht beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind  10B (n, alpha) 7Li-  Reaktionen, begleitet von 0,48 MeV (n, alpha) -Reaktionen von 10B

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen verursacht 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 ankommenden Neutronen produzieren Alpha-Teilchen, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Beide Methoden können zum Nachweis von Neutronen im Kernreaktor verwendet werden. Es ist zu beachten, dass BF 3  -Zähler normalerweise 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 wurde so gewählt, dass eine Überlappung zwischen den Quellenbereichskanälen und der vollen Spannweite der Leistungsbereichsinstrumente gewährleistet ist.

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.

Detektion schneller Neutronen

Schnelle Neutronen sind Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV (~ 15 000 km / s). In Kernreaktoren werden diese Neutronen üblicherweise als Spaltneutronen bezeichnet. Die Spaltneutronen haben eine Maxwell-Boltzmann-Energieverteilung mit einer mittleren Energie (für 235U-Spaltung ) 2 MeV. In einem Kernreaktor werden die schnellen Neutronen durch einen als Neutronenmoderation bezeichneten Prozess auf die thermischen Energien verlangsamt. Diese Neutronen werden auch durch Kernprozesse wie Kernspaltung oder (ɑ, n) Reaktionen erzeugt .

Im Allgemeinen gibt es viele Erkennungsprinzipien und viele Arten von Detektoren. Aber es muss hinzugefügt werden, dass der Nachweis schneller Neutronen eine sehr ausgefeilte Disziplin ist, da der Querschnitt schneller Neutronen viel kleiner ist als im Energiebereich für langsame Neutronen. Schnelle Neutronen werden oft erkannt, indem sie zuerst auf thermische Energien gemildert (verlangsamt) werden. Während dieses Prozesses gehen jedoch die Informationen über die ursprüngliche Energie des Neutrons, seine Fahrtrichtung und die Emissionszeit verloren.

Protonenrückstoß – Rückstoßdetektoren

Der wichtigste Detektortyp für schnelle Neutronen sind solche, die Rückstoßteilchen direkt erfassen , insbesondere Rückstoßprotonen, die aus elastischer (n, p) Streuung resultieren. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne leicht genug für die praktische Anwendung. Im letzteren Fall werden die Rückstoßpartikel in einem Detektor erfasst. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator . Mit dieser Methode kann die Energie des Neutrons zusammen mit der Neutronenfluenz gemessen werden, dh der Detektor kann als Spektrometer verwendet werden. Typische schnelle Neutronendetektoren sind FlüssigszintillatorenEdelgasdetektoren auf Helium-4-Basis und Kunststoffdetektoren (Szintillatoren). Zum Beispiel hat der Kunststoff einen hohen Wasserstoffgehalt, daher ist er für schnelle Neutronendetektoren nützlich , wenn er als Szintillator verwendet wird.

Bonner Spheres Spektrometer

Es gibt verschiedene Methoden zum Nachweis langsamer Neutronen und wenige Methoden zum Nachweis schneller Neutronen. Daher besteht eine Technik zum Messen schneller Neutronen darin, sie in langsame
Neutronen umzuwandeln und dann die langsamen Neutronen zu messen. Eine der möglichen Methoden basiert auf Bonner-Kugeln . Das Verfahren wurde erstmals 1960 von Ewing und Tom W. Bonner beschrieben und verwendet thermische Neutronendetektoren (üblicherweise anorganische Szintillatoren wie 6 LiI), die in moderierende Kugeln unterschiedlicher Größe eingebettet sind.  Bonner-Kugeln wurden häufig zur Messung von Neutronenspektren mit Neutronenenergien im Bereich von thermisch bis mindestens 20 MeV verwendet. Ein Bonner-Kugel-Neutronenspektrometer (BSS) besteht aus einem thermischen Neutronendetektor und einer Reihe von Kugelschalen aus Polyethylenund zwei optionale Bleischalen in verschiedenen Größen. Zum Nachweis von thermischen Neutronen können ein 3 He-Detektor oder anorganische Szintillatoren wie 6 LiI verwendet werden. LiGlass-Szintillatoren sind sehr beliebt zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

Detektion von Neutronen mit dem Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

  • Neutronen . Da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich  starken Kernkräften ausgesetzt  , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen  nicht direkt  und müssen normalerweise  in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ eines Neutronendetektors mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.  Schnelle Neutronen  (> 0,5 MeV) beruhen hauptsächlich auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Wasserstoffreiche Materialien, beispielsweise  Kunststoffszintillatorensind daher für ihre Erkennung am besten geeignet. Thermische Neutronen  beruhen auf Kernreaktionen wie den (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um eine Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders gut zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von 6LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.