¿Qué es la detección de neutrones? Definición

Los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. Detección de neutrones. Dosimetría de radiación
detección de neutrones
En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor y uno de los detectores de radiación convencionales.
Fuente: large.stanford.edu

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.

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 los neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de 0,48 MeV (n, alfa) reacciones de 10B

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

cámara de fisión - detección de neutronesLas 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.

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