Was ist ein Neutronenkonverter – Wie Neutronen nachgewiesen werden können – Definition

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.

Beispiel – Neutronenkonverter

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.

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.