Dosimetría de radiación

Las cámaras de niebla , también conocidas como cámaras de niebla de Wilson , son detectores de partículas, que fueron dispositivos esenciales en las primeras investigaciones de física nuclear y de partículas. Las cámaras de niebla, uno de los instrumentos más simples para estudiar partículas elementales , han sido sustituidas por detectores más modernos en investigaciones reales, pero siguen siendo un aparato pedagógico muy interesante.

Expansión Cloud Chamber

En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado se saturó con vapor de agua, luego se usó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (expansión adiabática), enfriar el aire y comenzar a condensar el vapor de agua. Por lo tanto , se utiliza el nombre de cámara de nube de expansión . La primera antipartícula, el positrón, el muón y la primera partícula extraña, el kaon, también se identificaron por primera vez utilizando la cámara de niebla.

Cámara de difusión de la nube

Aunque las cámaras de difusión de niebla nunca se utilizaron ampliamente en la investigación de física nuclear y de partículas, siendo fáciles de construir, todavía son instrumentos educativos interesantes . Una cámara de nube de difusión difiere de la cámara de nube de expansión en que está continuamente sensibilizada a la radiación, y en que el fondo debe enfriarse a una temperatura bastante baja, generalmente más fría que −26 ° C (−15 ° F). En lugar de vapor de agua, se usa alcohol debido a su punto de congelación más bajo. Hoy en día, son una forma fácil de aprender y visualizar partículas elementales y radiación.

Las cámaras de niebla , también conocidas como cámaras de niebla de Wilson , son detectores de partículas, que fueron dispositivos esenciales en las primeras investigaciones de física nuclear y de partículas. Las cámaras de niebla, uno de los instrumentos más simples para estudiar partículas elementales , han sido sustituidas por detectores más modernos en investigaciones reales, pero siguen siendo un aparato pedagógico muy interesante.

Cámara de niebla – Principio de funcionamiento

El principio fundamental detrás de ellos es la sobresaturación de una sustancia de vapor , un estado en el que el aire, o cualquier otro gas, contiene más vapor de esa sustancia de lo que puede mantener en un equilibrio estable. Una partícula cargada de energía (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla de vapor y crea una pista de iones , que en condiciones de sobresaturación actúan como núcleos de condensación alrededor de los cuales se forma un rastro de pequeñas gotas en forma de niebla si la mezcla de gases es en el punto de condensación.

Estas gotas son visibles como una pista de «nube» que persiste durante varios segundos mientras las gotas caen a través del vapor. La condensación del vapor en estos núcleos permite la identificación visual de las trayectorias de las partículas, lo que lleva a un estudio directo de sus propiedades. En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado se saturó con vapor de agua, luego se usó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (expansión adiabática), enfriar el aire y comenzar a condensar el vapor de agua. Por lo tanto , se utiliza el nombre de cámara de nube de expansión . La primera antipartícula, el positrón, el muón y la primera partícula extraña, el kaon, también se identificaron por primera vez utilizando la cámara de niebla.

Las cámaras de niebla , también conocidas como cámaras de Wilson , son detectores de partículas, que fueron dispositivos esenciales en las primeras investigaciones de física nuclear y de partículas. Las cámaras de niebla, uno de los instrumentos más simples para estudiar partículas elementales , han sido sustituidas por detectores más modernos en investigaciones reales, pero siguen siendo un aparato pedagógico muy interesante.

Cámara de niebla – Principio de funcionamiento

El principio fundamental detrás de ellos es la sobresaturación de una sustancia de vapor , un estado en el que el aire, o cualquier otro gas, contiene más vapor de esa sustancia de lo que puede mantener en un equilibrio estable. Una partícula cargada de energía (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla de vapor y crea una pista de iones , que en condiciones de sobresaturación actúan como núcleos de condensación alrededor de los cuales se forma un rastro de pequeñas gotas en forma de niebla si la mezcla de gases es en el punto de condensación.

Estas gotas son visibles como una pista de «nube» que persiste durante varios segundos mientras las gotas caen a través del vapor. La condensación del vapor en estos núcleos permite la identificación visual de las trayectorias de las partículas, lo que lleva a un estudio directo de sus propiedades. En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado se saturó con vapor de agua, luego se usó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (expansión adiabática), enfriar el aire y comenzar a condensar el vapor de agua. Por lo tanto , se utiliza el nombre de cámara de niebla de expansión . La primera antipartícula, el positrón, el muón y la primera partícula extraña, el kaon, también se identificaron por primera vez utilizando la cámara de niebla.

Cámara de difusión de la niebla

Aunque las cámaras de difusión de niebla nunca se utilizaron ampliamente en la investigación de física nuclear y de partículas, siendo fáciles de construir, todavía son instrumentos educativos interesantes . Una cámara de niebla de difusión difiere de la cámara de niebla de expansión en que está continuamente sensibilizada a la radiación, y en que el fondo debe enfriarse a una temperatura bastante baja, generalmente más fría que −26 ° C (−15 ° F). En lugar de vapor de agua, se usa alcohol debido a su punto de congelación más bajo. Hoy en día, son una forma fácil de aprender y visualizar partículas elementales y radiación.

Información de ionización y seguimiento

Cabe destacar que las gotas que en estos dispositivos forman pistas crecen en iones creados por el paso de partículas ionizantes. Por lo tanto, este proceso de ionización debe ser analizado. Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente , por lo tanto, el conocimiento de esta interacción, cómo las diferentes partículas depositan energía en la materia y cuánta energía depositan las partículas, es fundamental para nuestra comprensión del problema. Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar directamente los átomos. Partículas alfason bastante masivos y llevan una carga doble positiva, por lo que tienden a viajar solo una corta distancia y no penetran mucho en el tejido, si es que lo hacen. Sin embargo, las partículas alfa depositarán su energía en un volumen más pequeño (posiblemente solo unas pocas células si entran en un cuerpo) y causarán más daño a esas pocas células. Como resultado, las partículas alfa dejan un rastro corto pero significativo en la cámara.

Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa. Por lo tanto, las partículas beta dejan un rastro más largo pero menos visible en la cámara.

Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de niebla, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz.

Según datos experimentales, la ionización específica dN / dx en cámaras de niebla, definida como el número medio de iones producidos por unidad de longitud por una partícula que pasa, se describe bien en una primera aproximación tanto para electrones como para partículas más masivas mediante la ecuación de Bethe .

Poder de frenado – Bethe Formula

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . El poder de detención lineal del material se define como la relación de la pérdida de energía diferencial para la partícula dentro del material con la longitud del camino diferencial correspondiente :

, donde T es la energía cinética de la partícula cargada, nion es el número de pares de iones de electrones formados por unidad de longitud de camino, e denota la energía promedio necesaria para ionizar un átomo en el medio. Para partículas cargadas, S aumenta a medida que disminuye la velocidad de las partículas . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe. La fórmula no relativista fue encontrada por Hans Bethe en 1930. La versión relativista (ver más abajo) también fue encontrada por Hans Bethe en 1932.

En esta expresión, m es la masa en reposo del electrón, β es igual a v / c, lo que expresa la velocidad de la partícula en relación con la velocidad de la luz, γ es el factor de Lorentz de la partícula, Q es igual a su carga, Z es el número atómico del medio yn es la densidad de átomos en el volumen. Para las partículas no relativistas (las partículas cargadas pesadas son en su mayoría no relativistas), dT / dx depende de 1 / v ² . Esto se puede explicar por el mayor tiempo que la partícula cargada pasa en el campo negativo del electrón, cuando la velocidad es baja.

La naturaleza de la interacción de una radiación beta con la materia es diferente de la radiación alfa , a pesar de que las partículas beta también son partículas cargadas. En comparación con las partículas alfa, las partículas beta tienen una masa mucho menor y alcanzan principalmente energías relativistas . Su masa es igual a la masa de los electrones orbitales con los que están interactuando y, a diferencia de la partícula alfa, una fracción mucho mayor de su energía cinética se puede perder en una sola interacción. Dado que las partículas beta alcanzan principalmente energías relativistas, la fórmula Bethe  no relativista no se puede utilizar. Para electrones de alta energía, Bethe también ha derivado una expresión similarpara describir la pérdida de energía específica debido a la excitación e ionización (las «pérdidas por colisión»).

Además, las partículas beta pueden interactuar mediante la interacción electrón-nuclear (dispersión elástica de los núcleos), lo que puede cambiar significativamente la dirección de la partícula beta . Por lo tanto, su camino no es tan sencillo. Las partículas beta siguen un camino muy en zig-zag a través del material absorbente, este camino resultante de partículas es más largo que la penetración lineal (rango) en el material.

Las partículas beta también difieren de otras partículas cargadas pesadas en la fracción de energía perdida por el proceso radiativo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung («radiación de frenado») .

Cámara de niebla y descubrimiento de positrones

Los positrones tienen carga positiva (+ 1e), partículas casi sin masa. Su masa en reposo es igual a 9.109 × 10 ⁻³¹ kg ( 510.998 keV / c 2 ) (aproximadamente 1/1836 la del protón ).

Al igual que todas las partículas elementales, los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas: pueden colisionar con otras partículas y pueden difractarse como la luz. La idea original de las antipartículas surgió de una ecuación de onda relativista desarrollada en 1928 por el científico inglés PAM Dirac(1902-1984). Se dio cuenta de que su versión relativista de la ecuación de onda de Schrödinger para electrones predijo la posibilidad de antielectrones. Estos fueron descubiertos por Paul Dirac y Carl D. Anderson en 1932 y nombrados positrones. Estudiaron colisiones de rayos cósmicos a través de una cámara de niebla, un detector de partículas en el que los electrones (o positrones) en movimiento dejan rastros a medida que se mueven a través del gas. Los caminos de los positrones en una cámara de niebla trazan el mismo camino helicoidal que un electrón pero giran en la dirección opuesta con respecto a la dirección del campo magnético debido a que tienen la misma magnitud de relación carga-masa pero con carga opuesta y, por lo tanto, opuesta ratios de carga a masa firmadas. Aunque Dirac no utilizó el término antimateria , su uso sigue de forma bastante natural a partir de antielectrones,antiprotones , etc.

Cámara de burbujas

Las cámaras de burbujas son detectores de partículas, que se basan en principios similares a las cámaras de niebla. En la cámara de burbujas, las huellas de partículas subatómicas se revelan como rastros de burbujas en un líquido calentado justo debajo de su punto de ebullición, generalmente hidrógeno líquido. Las cámaras de burbujas pueden hacerse físicamente más grandes que las cámaras de niebla, y dado que están llenas de material líquido mucho más denso, revelan las huellas de partículas mucho más energéticas. Una partícula cargada de energía (por ejemplo, una partícula alfa o beta) interactúa con el líquido y el líquido entra en una fase sobrecalentada y metaestable. Alrededor de la pista de ionización, el líquido se vaporiza, formando burbujas microscópicas. La densidad de burbujas alrededor de una pista es proporcional a la pérdida de energía de una partícula.

Debe enfatizarse que las burbujas que en estos dispositivos forman pistas crecen en iones creados por el paso de partículas ionizantes. Por lo tanto, este proceso de ionización debe ser analizado. Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente , por lo tanto, el conocimiento de esta interacción, cómo las diferentes partículas depositan energía en la materia y cuánta energía depositan las partículas, es fundamental para nuestra comprensión del problema. Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar átomos directamente. Partículas alfason bastante masivos y llevan una carga doble positiva, por lo que tienden a viajar solo una corta distancia y no penetran mucho en el tejido, si es que lo hacen. Sin embargo, las partículas alfa depositarán su energía en un volumen más pequeño (posiblemente solo unas pocas células si entran en un cuerpo) y causarán más daño a esas pocas células. Como resultado, las partículas alfa dejan un rastro corto pero significativo en la cámara.

Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa. Por lo tanto, las partículas beta dejan un rastro más largo pero menos visible en la cámara.

Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de niebla, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz.

Los neutrones de fisión son neutrones producidos en la fisión nuclear . Tienen un espectro típico y se sabe que los neutrones de fisión son importantes en cualquier sistema de reacción en cadena. Los neutrones  desencadenan la  fisión nuclear  de algunos núcleos ( ²³⁵ U ,  ²³⁸ U  o incluso  ²³² Th ). Lo que es crucial, la fisión de tales núcleos produce  2, 3 o más  neutrones libres .

Pero no todos los neutrones se liberan  al mismo tiempo después de la fisión . Incluso la naturaleza de la creación de estos neutrones es diferente. Desde este punto de vista, generalmente dividimos los neutrones de fisión en dos grupos:

• Neutrones rápidos .  Los neutrones rápidos se emiten  directamente de la fisión  y se emiten en  un tiempo muy corto de aproximadamente ^10-14  segundos .
• Neutrones Retrasados .  Los neutrones retardados son emitidos por  fragmentos de fisión ricos en neutrones   que se denominan  precursores de neutrones retardados . Estos precursores generalmente experimentan  desintegración beta,  pero una pequeña fracción de ellos está lo suficientemente excitada como para sufrir  emisiones de neutrones . El hecho de que el neutrón se produzca a través de este tipo de descomposición y esto ocurre en  órdenes de magnitud más tarde en  comparación con la emisión de los neutrones rápidos, juega un papel extremadamente importante en el control del reactor.

Espectro de neutrones de fisión

Región de neutrones rápidos

La primera parte del  espectro de flujo de neutrones  en los reactores térmicos es la  región de los neutrones rápidos . Todos los neutrones producidos por la fisión nacen como  neutrones rápidos  con alta energía cinética.

Al principio tenemos que distinguir entre  neutrones rápidos  y  neutrones rápidos . Los neutrones rápidos a veces  pueden  confundirse completamente con los neutrones rápidos. Pero hay una diferencia esencial entre ellos.  Los neutrones rápidos  son neutrones categorizados según la  energía cinética , mientras que los  neutrones rápidos  se clasifican según el  momento de su liberación .

La mayoría de los  neutrones  producidos en la fisión son neutrones rápidos. Por lo general,  más del 99 por ciento  de los neutrones de fisión son los neutrones rápidos, pero la fracción exacta depende del nucleido a ser fisionado y también depende de una energía de neutrones  incidente  (generalmente aumenta con la energía). Por ejemplo, una fisión de  ²³⁵ U  por neutrones térmicos produce  2.43 neutrones , de los cuales  2.42 neutrones son los neutrones rápidos  y 0.01585 neutrones  (0.01585 / 2.43 = 0.0065 = ß)  son  los neutrones retardados .

La gran mayoría de los neutrones rápidos e incluso los neutrones retrasados ​​nacen como neutrones rápidos (es decir, con una energía cinética superior a> 1 keV). Pero estos dos grupos de neutrones de fisión tienen espectros de energía diferentes, por lo tanto, contribuyen al espectro de fisión de manera diferente. Dado que  más del 99 por ciento  de los neutrones de fisión son los neutrones rápidos, es obvio que dominarán todo el espectro.

Por lo tanto, el espectro rápido de neutrones se puede describir mediante los siguientes puntos:

• Casi todos los neutrones de fisión tienen  energías entre 0.1 MeV y 10 MeV .
• La energía media de neutrones es de aproximadamente  2 MeV .
• La energía de neutrones más probable es de aproximadamente  0,7 MeV .

El espectro rápido de neutrones se puede aproximar mediante la siguiente distribución (normalizada a una):

Los neutrones liberados durante la fisión con una energía promedio de  2 MeV  en un reactor en promedio sufren una  serie de colisiones  ( elásticas  o  inelásticas ) antes de ser absorbidos. Como resultado de estas colisiones  , pierden energía , por lo que el espectro del  reactor no es idéntico al espectro de fisión , siempre es  «más suave»  que el espectro de fisión. El hecho es que el espectro de fisión es la parte del espectro del reactor.

Los neutrones rápidos son neutrones de energía cinética mayor de 1 MeV (~ 15 000 km / s). En los reactores nucleares, estos neutrones generalmente se denominan neutrones de fisión. Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para fisión de 235U ) 2 MeV. Dentro de un reactor nuclear, los neutrones rápidos se reducen a las energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones . Estos neutrones también son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o reacciones (ɑ, n).

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. Pero debe agregarse, la detección rápida de neutrones es una disciplina muy sofisticada, ya que la sección transversal de los neutrones rápidos es mucho más pequeña que en el rango de energía para los neutrones lentos. Los neutrones rápidos a menudo se detectan primero moderándolos (desacelerándolos) a energías térmicas. Sin embargo, durante ese proceso, se pierde la información sobre la energía original del neutrón, su dirección de viaje y el tiempo de emisión.

Proton Recoil – Detectores de retroceso

El tipo más importante de detectores de 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 rápidos de neutrones , cuando se usa como centelleador.

Espectrómetro Bonner Spheres

Existen varios métodos para detectar neutrones lentos, y pocos métodos para detectar neutrones rápidos. Por lo tanto, una técnica para medir neutrones rápidos es convertirlos en
neutrones lentos y luego medir los neutrones lentos. Uno de los métodos posibles se basa en las esferas de Bonner . El método fue descrito por primera vez en 1960 por Ewing y Tom W. Bonner y emplea detectores térmicos de neutrones (generalmente centelleadores inorgánicos como ⁶ LiI) integrados en esferas de moderación de diferentes tamaños.  Las esferas de Bonner se han utilizado ampliamente para la medición de espectros de neutrones con energías de neutrones que van desde térmicas hasta al menos 20 MeV. Un espectrómetro de neutrones de esfera de Bonner (BSS) consta de un detector de neutrones térmicos, un conjunto de conchas esféricas de polietilenoy dos casquillos de plomo opcionales de varios tamaños. Para detectar neutrones térmicos se puede utilizar un detector ³ He o centelleadores inorgánicos como ⁶ LiI. Los centelleadores LiGlass son muy populares para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Detección de neutrones usando el contador de centelleo

Los contadores de centelleo  se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones que incluyen medidores de medición de radiación de mano, monitoreo personal y ambiental de  contaminación radiactiva , imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares. Son ampliamente utilizados porque pueden fabricarse de manera económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.

Los contadores de centelleo se pueden usar para detectar  la radiación alfa ,  beta y  gamma . Se pueden usar también para la  detección de neutrones . Para estos fines, se utilizan diferentes centelleadores.

• Neutrones . Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  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.).  Los neutrones rápidos  (> 0.5 MeV) se basan principalmente en el protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo  centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos  dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores 6LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Los neutrones pueden detectarse utilizando láminas de activación y cables de flujo . Este método se basa en la activación de neutrones, donde una muestra analizada se irradia primero con neutrones para producir radionucleidos específicos . La desintegración radiactiva de estos radionucleidos producidos es específica para cada elemento (nucleido). Cada nucleido emite los rayos gamma característicos que se miden mediante espectroscopía gamma , donde los rayos gamma detectados a una energía particular son indicativos de un radionúclido específico y determinan las concentraciones de los elementos.

Los materiales seleccionados para las láminas de activación son, por ejemplo:

• indio
• oro,
• rodio,
• hierro
• aluminio  
• niobio

Estos elementos tienen grandes secciones transversales para la captura radiactiva de neutrones . El uso de múltiples muestras absorbentes permite la caracterización del espectro de energía de neutrones. La activación también permite la recreación de una exposición histórica a neutrones. Los dosímetros de accidentes de criticidad disponibles comercialmente a menudo utilizan este método. Al medir la radioactividad de las láminas delgadas, podemos determinar la cantidad de neutrones a los que se expusieron las láminas.

Los cables de flujo pueden usarse en reactores nucleares para medir los perfiles de flujo de neutrones del reactor. Los principios son los mismos. El alambre o papel de aluminio se inserta directamente en el núcleo del reactor , permanece en el núcleo durante el tiempo requerido para la activación al nivel deseado. Después de la activación, el alambre o lámina de fundente se retira rápidamente del núcleo del reactor y se cuenta la actividad. Las láminas activadas también pueden discriminar los niveles de energía al colocar una cubierta sobre la lámina para filtrar (absorber) ciertos neutrones de nivel de energía. Por ejemplo, el cadmio se usa ampliamente para absorber neutrones térmicos en filtros de neutrones térmicos.

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.

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.).

Detección de neutrones térmicos.

Los neutrones térmicos son neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante de temperatura 290K (17 ° C o 62 ° F). La energía más probable a 17 ° C (62 ° F) para la distribución Maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de neutrones constituye la parte más importante del espectro en los reactores térmicos .

Los neutrones térmicos tienen una sección transversal efectiva de absorción de neutrones diferente (y a menudo mucho más grande ) ( fisión o captura radiactiva ) para un nucleido dado que los neutrones rápidos.

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. En los reactores nucleares, los detectores de ionización gaseosa son los más comunes, ya que son muy eficientes, confiables y cubren una amplia gama de flujo de neutrones. Varios tipos de detectores de ionización gaseosa constituyen el llamado  sistema de instrumentación nuclear excore (NIS) . El sistema de instrumentación nuclear excore monitorea el nivel de potencia del reactor mediante la  detección de fugas de neutrones  desde el núcleo del reactor.

Detección de neutrones usando la cámara de ionización

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de 0,48 MeV 

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo  el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando una cámara de ionización es usar el trifluoruro de boro gaseoso   (BF ₃ ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los  contadores BF ₃ generalmente se operan en la región proporcional.

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.

Láminas de activación y cables de flujo

Los neutrones pueden detectarse utilizando láminas de activación y cables de flujo . Este método se basa en la activación de neutrones, donde una muestra analizada se irradia primero con neutrones para producir radionucleidos específicos . La desintegración radiactiva de estos radionucleidos producidos es específica para cada elemento (nucleido). Cada nucleido emite los rayos gamma característicos que se miden mediante espectroscopía gamma , donde los rayos gamma detectados a una energía particular son indicativos de un radionucleido específico y determinan las concentraciones de los elementos.

Los materiales seleccionados para las láminas de activación son, por ejemplo:

• indio
• oro,
• rodio,
• hierro
• aluminio  
• niobio

Estos elementos tienen grandes secciones transversales para la captura radiactiva de neutrones . El uso de múltiples muestras absorbentes permite la caracterización del espectro de energía de neutrones. La activación también permite la recreación de una exposición histórica a neutrones. Los dosímetros de accidentes de criticidad disponibles comercialmente a menudo utilizan este método. Al medir la radioactividad de las láminas delgadas, podemos determinar la cantidad de neutrones a los que se expusieron las láminas.

Los cables de flujo pueden usarse en reactores nucleares para medir los perfiles de flujo de neutrones del reactor. Los principios son iguales. El alambre o papel de aluminio se inserta directamente en el núcleo del reactor , permanece en el núcleo durante el tiempo requerido para la activación al nivel deseado. Después de la activación, el alambre o lámina de fundente se retira rápidamente del núcleo del reactor y se cuenta la actividad. Las láminas activadas también pueden discriminar los niveles de energía al colocar una cubierta sobre la lámina para filtrar (absorber) ciertos neutrones de nivel de energía. Por ejemplo, el cadmio se usa ampliamente para absorber neutrones térmicos en filtros de neutrones térmicos.

Detección de neutrones rápidos

Los neutrones rápidos son neutrones de energía cinética mayor de 1 MeV (~ 15 000 km / s). En los reactores nucleares, estos neutrones generalmente se denominan neutrones de fisión. Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para la fisión de 235U ) 2 MeV. Dentro de un reactor nuclear, los neutrones rápidos se reducen a las energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones . Estos neutrones también son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o reacciones (ɑ, n).

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. Pero debe agregarse, la detección de neutrones rápidos es una disciplina muy sofisticada, ya que la sección transversal de los neutrones rápidos es mucho más pequeña que en el rango de energía para los neutrones lentos. Los neutrones rápidos a menudo se detectan primero moderándolos (desacelerándolos) a energías térmicas. Sin embargo, durante ese proceso se pierde la información sobre la energía original del neutrón, su dirección de viaje y el tiempo de emisión.

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.

Espectrómetro Bonner Spheres

Existen varios métodos para detectar neutrones lentos, y pocos métodos para detectar neutrones rápidos. Por lo tanto, una técnica para medir neutrones rápidos es convertirlos en
neutrones lentos y luego medir los neutrones lentos. Uno de los métodos posibles se basa en las esferas de Bonner . El método fue descrito por primera vez en 1960 por Ewing y Tom W. Bonner y emplea detectores de neutrones térmicos (generalmente centelleadores inorgánicos como ⁶ LiI) integrados en esferas de moderación de diferentes tamaños.  Las esferas de Bonner se han utilizado ampliamente para la medición de espectros de neutrones con energías de neutrones que van desde térmicas hasta al menos 20 MeV. Un espectrómetro de neutrones de esfera de Bonner (BSS) consiste en un detector de neutrones térmicos, un conjunto de conchas esféricas de polietilenoy dos casquillos de plomo opcionales de varios tamaños. Para detectar neutrones térmicos se puede utilizar un detector ³ He o centelleadores inorgánicos como ⁶ LiI. Los centelleadores LiGlass son muy populares para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Detección de neutrones usando el contador de centelleo

Los contadores de centelleo  se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones que incluyen medidores de medición de radiación de mano, monitoreo personal y ambiental de  contaminación radiactiva , imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares. Son ampliamente utilizados porque pueden fabricarse de manera económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.

Los contadores de centelleo se pueden usar para detectar  la radiación alfa ,  beta y  gamma . Se pueden usar también para la  detección de neutrones . Para estos fines, se utilizan diferentes centelleadores.

• Neutrones . Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  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.).  Los neutrones rápidos  (> 0.5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo  centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos  dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores 6LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.