Nick Connor

Na física, as  interações fundamentais , também conhecidas como  forças fundamentais , são interações entre partículas elementares que não parecem redutíveis a interações mais básicas. Essas interações governam como as partículas e também os objetos macroscópicos interagem e como determinadas partículas se decompõem. Geralmente, eles podem ser classificados em uma das  quatro forças fundamentais :

Forte – Fraco – Eletromagnético – Força Gravitacional

Em geral, a radiação eletromagnética pode ser dividida em uma porção visível e invisível do espectro eletromagnético. A luz é radiação eletromagnética dentro de uma certa porção do espectro eletromagnético. A palavra geralmente se refere à luz visível , que é o espectro visível que é visível ao olho humano. A luz visível é geralmente definida como tendo comprimentos de onda na faixa de 400 a 700 nanômetros (nm).

A radiação eletromagnética na região da luz visível consiste em quanta (chamados fótons ) que estão na extremidade inferior das energias capazes de causar excitação eletrônica nas moléculas, o que leva a mudanças na ligação ou na química da molécula. Fotões são classificados de acordo com as energias de ondas de rádio de baixa energia e radiação infravermelha, através da luz visível, a alta energia de raios-X  e raios gama .

Na extremidade inferior do espectro de luz visível, a radiação eletromagnética torna-se invisível para os seres humanos (infravermelho) porque seus fótons não têm mais energia individual suficiente para causar uma mudança molecular duradoura (uma mudança na conformação) na molécula visual da retina na retina humana, que mudança provoca a sensação de visão.

Radiação invisível

Toda radiação eletromagnética, exceto a luz visível (uma faixa muito estreita), é invisível. A radiação invisível inclui ondas de rádio, infravermelho, UV, microondas e radiação gama. Além disso, a radiação alfa e beta , bem como os “” raios catódicos “- todos os quais são fluxos de partículas – são invisíveis .

Digno de nota nem a radiação invisível é completamente invisível ao olho humano. Um tópico relacionado é o dos fenômenos visuais dos raios cósmicos , nos quais os astronautas podem ver flashes de luz , que são presumivelmente devidos a partículas individuais de raios cósmicos interagindo com seus olhos. Os pesquisadores acreditam que esses flashes de luz percebidos especificamente pelos astronautas no espaço são devidos aos raios cósmicos (partículas carregadas de alta energia que ultrapassam a atmosfera da Terra), embora o mecanismo exato seja desconhecido.

O perigo de radiação ionizante reside no fato de que a radiação é invisível e não diretamente detectável pelos sentidos humanos. As pessoas não podem ver nem sentir a radiação, mas ela deposita energia nas moléculas do material. A energia é transferida em pequenas quantidades para cada interação entre a radiação e uma molécula e geralmente existem muitos tipos de interações. Portanto, a única maneira de detectar e medir a radiação é usar instrumentos ( detectores de radiação ionizante ).

Detecção de radiação invisível

Os detectores de radiação ionizante consistem em duas partes que geralmente estão conectadas. A primeira parte consiste em um material sensível, constituído por um composto que sofre alterações quando exposto à radiação. O outro componente é um dispositivo que converte essas alterações em sinais mensuráveis.

Em seus princípios básicos de operação, a maioria dos detectores de radiação ionizante segue características semelhantes. Os detectores de radiação ionizante consistem em duas partes que geralmente estão conectadas. A primeira parte consiste em um material sensível , constituído por um composto que sofre alterações quando exposto à radiação. O outro componente é um dispositivo que converte essas alterações em sinais mensuráveis. Todos os detectores exigem que a radiação deposite parte de sua energia em materiais sensíveis que fazem parte do instrumento. A radiação entra no detector, interage com os átomos do material do detector e deposita alguma energia no material sensível. Cada evento pode gerar um sinal, que pode ser um pulso, furo, sinal de luz, pares de íons em um gás e muitos outros. A principal tarefa é gerar sinal suficiente, amplificá-lo e gravá-lo.

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.).

Um dos tipos básicos de interações de nêutrons com a matéria disponível para esse fim é:

• 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 .

Proton Recoil – Recoil Detector

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.

Os nêutrons de fissão são nêutrons produzidos na fissão nuclear . Eles têm espectro típico e sabe-se que os nêutrons de fissão são importantes em qualquer sistema de reação em cadeia. Os nêutrons  desencadeiam a  fissão nuclear  de alguns núcleos ( ²³⁵ U ,  ²³⁸ U  ou mesmo  ²³² Th ). O que é crucial a fissão de tais núcleos produz  2, 3 ou mais  nêutrons livres .

Mas nem todos os nêutrons são liberados  ao mesmo tempo após a fissão . Até a natureza da criação desses nêutrons é diferente. Deste ponto de vista, geralmente dividimos os nêutrons de fissão em dois grupos a seguir:

• Nêutrons Prompt .  Os nêutrons imediatos são emitidos  diretamente da fissão  e são emitidos dentro de  um período muito curto de cerca de 10 a ¹⁴  segundos .
• Nêutrons atrasados .  Os nêutrons atrasados ​​são emitidos por  fragmentos de fissão ricos em nêutrons,   chamados  precursores atrasados ​​de nêutrons . Esses precursores geralmente sofrem  decaimento beta,  mas uma pequena fração deles está excitada o suficiente para sofrer  emissão de nêutrons . O fato de o nêutron ser produzido através desse tipo de decaimento e ocorrer  ordens de magnitude posteriormente  comparadas à emissão dos nêutrons imediatos desempenha um papel extremamente importante no controle do reator.

Espectro de nêutrons de fissão

Região de Nêutrons Rápidos

A primeira parte do  espectro de fluxo de nêutrons  nos reatores térmicos é a  região dos nêutrons rápidos . Todos os nêutrons produzidos pela fissão nascem como  nêutrons rápidos  com alta energia cinética.

A princípio, precisamos distinguir entre  nêutrons rápidos  e  nêutrons imediatos . Às vezes, os nêutrons imediatos podem ser  confundidos  incorretamente com os nêutrons rápidos. Mas há uma diferença essencial entre eles.  Nêutrons rápidos  são nêutrons categorizados de acordo com a  energia cinética , enquanto que os  nêutrons rápidos  são categorizados de acordo com o  tempo de sua liberação .

A maioria dos  nêutrons  produzidos na fissão são nêutrons rápidos. Geralmente,  mais de 99%  dos nêutrons de fissão são os nêutrons imediatos, mas a fração exata depende do nuclídeo a ser fissionado e também depende de uma energia incidente de  nêutrons  (geralmente aumenta com a energia). Por exemplo, uma fissão de  ²³⁵ U  por nêutron térmico produz  2,43 nêutrons , dos quais  2,42 nêutrons são os nêutrons imediatos  e 0,01585 nêutrons  (0,01585 / 2,43 = 0,0065 = ß)  são  os nêutrons atrasados .

A grande quantidade de nêutrons imediatos e até os nêutrons atrasados ​​nascem como nêutrons rápidos (ou seja, com energia cinética superior a> 1 keV). Mas esses dois grupos de nêutrons de fissão têm espectros de energia diferentes, portanto, eles contribuem para o espectro de fissão de maneira diferente. Como  mais de 99%  dos nêutrons de fissão são os nêutrons imediatos, é óbvio que eles dominarão todo o espectro.

Portanto, o espectro rápido de nêutrons pode ser descrito pelos seguintes pontos:

• Quase todos os nêutrons de fissão têm  energias entre 0,1 MeV e 10 MeV .
• A energia média de nêutrons é de cerca de  2 MeV .
• A energia de nêutrons mais provável é de cerca de  0,7 MeV .

O espectro rápido de nêutrons pode ser aproximado pela seguinte distribuição (normalizada para uma):

Os nêutrons liberados durante a fissão com uma energia média de  2 MeV  em um reator sofrem, em média,  várias colisões  ( elásticas  ou  inelásticas ) antes de serem absorvidos. Como resultado dessas colisões,  eles perdem energia , de modo que o espectro do  reator não é idêntico ao espectro de fissão , é sempre  ‘mais suave’  que o espectro de fissão. O fato é que o espectro de fissão é a parte do espectro do reator.

Nêutrons rápidos são nêutrons de energia cinética maiores que 1 MeV (~ 15.000 km / s). Nos reatores nucleares, esses nêutrons são geralmente chamados de nêutrons de fissão. Os nêutrons de fissão têm uma distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann com uma energia média (para fissão de 235U ) 2 MeV. Dentro de um reator nuclear, os nêutrons rápidos são reduzidos às energias térmicas através de um processo chamado moderação de nêutrons . Esses nêutrons também são produzidos por processos nucleares, como fissão nuclear ou reações (ɑ, n).

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Mas é preciso acrescentar que a detecção de nêutrons rápidos é uma disciplina muito sofisticada, pois a seção transversal rápida de nêutrons é muito menor do que na faixa de energia para nêutrons lentos. Os nêutrons rápidos são freqüentemente detectados pela moderação (desaceleração) deles das energias térmicas. No entanto, durante esse processo, as informações sobre a energia original do nêutron, sua direção de viagem e o tempo de emissão são perdidas.

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 em conjunto 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.

Espectrômetro Bonner Spheres

Existem vários métodos para detectar nêutrons lentos e poucos métodos para detectar nêutrons rápidos. Portanto, uma técnica para medir nêutrons rápidos é convertê-los em
nêutrons lentos e depois medir os nêutrons lentos. Um dos métodos possíveis é baseado nas esferas de Bonner . O método foi descrito pela primeira vez em 1960 por Ewing e Tom W. Bonner e emprega detectores térmicos de nêutrons (geralmente cintiladores inorgânicos como ⁶ LiI) incorporados em esferas moderadoras de tamanhos diferentes.  As esferas de Bonner têm sido amplamente utilizadas para a medição de espectros de nêutrons com energias de nêutrons variando de térmicas a pelo menos 20 MeV. Um espectrômetro de nêutrons de esfera Bonner (BSS) consiste em um detector de nêutrons térmicos, um conjunto de invólucros esféricos de polietilenoe dois invólucros de chumbo opcionais de vários tamanhos. Para detectar nêutrons térmicos, um detector de ³ He ou cintiladores inorgânicos, como ⁶ LiI, podem ser usados. Os cintiladores LiGlass são muito populares na detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Detecção de nêutrons usando o contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles também podem ser usados ​​para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

• Nêutrons . Como os nêutrons são  partículas eletricamente neutras,  elas 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.).  Os nêutrons rápidos  (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo,  cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos  dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores 6LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Os nêutrons podem ser detectados usando folhas de ativação e fios de fluxo . Este método é baseado na ativação de nêutrons, onde uma amostra analisada é primeiro irradiada com nêutrons para produzir radionuclídeos específicos . O decaimento radioativo desses radionuclídeos produzidos é específico para cada elemento (nuclídeo). Cada nuclídeo emite os raios gama característicos que são medidos usando espectroscopia gama , onde os raios gama detectados em uma energia específica são indicativos de um radionuclídeo específico e determinam as concentrações dos elementos.

Os materiais selecionados para folhas de ativação são, por exemplo:

• índio,
• ouro,
• ródio,
• ferro
• alumínio  
• nióbio

Esses elementos têm grandes seções transversais para a captura radiativa de nêutrons . O uso de múltiplas amostras de absorvedores permite a caracterização do espectro de energia de nêutrons. A ativação também permite a recreação de uma exposição histórica a nêutrons. Os dosímetros de acidentes por criticidade comercialmente disponíveis geralmente utilizam esse método. Medindo a radioatividade de folhas finas, podemos determinar a quantidade de nêutrons a que as folhas foram expostas.

Os fios de fluxo podem ser usados ​​em reatores nucleares para medir os perfis de fluxo de nêutrons do reator. Princípios são os mesmos. O fio ou a folha é inserido diretamente no núcleo do reator , permanece no núcleo pelo período de tempo necessário para a ativação no nível desejado. Após a ativação, o fio ou a película de fluxo é rapidamente removido do núcleo do reator e a atividade é contada. As folhas ativadas também podem discriminar os níveis de energia, colocando uma cobertura sobre a folha para filtrar (absorver) certos nêutrons do nível de energia. Por exemplo, o cádmio é amplamente usado para absorver nêutrons térmicos em filtros de nêutrons térmicos.

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.

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.).

Detecção de nêutrons térmicos

Nêutrons térmicos são nêutrons em equilíbrio térmico com um meio ambiente de temperatura 290K (17 ° C ou 62 ° F). A energia mais provável a 17 ° C (62 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de 0,025 eV (~ 2 km / s). Essa parte do espectro de energia dos nêutrons constitui a parte mais importante do espectro em reatores térmicos .

Os nêutrons térmicos têm uma seção transversal de absorção de nêutrons eficaz diferente e muitas vezes muito maior ( fissão ou captura radiativa ) para um determinado nuclídeo do que os nêutrons rápidos.

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Nos reatores nucleares, os detectores de ionização gasosa são os mais comuns, pois são muito eficientes, confiáveis ​​e cobrem uma ampla gama de fluxos de nêutrons. Vários tipos de detectores de ionização gasosa constituem o chamado  sistema de instrumentação nuclear excore (NIS) . O sistema de instrumentação nuclear excore monitora o nível de potência do reator,  detectando vazamentos de nêutrons  do núcleo do reator.

Detecção de nêutrons usando câmara de ionização

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações  10B (n, alfa) 7Li  acompanhadas por 0,48 MeV 

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo  o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso   (BF ₃ ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os  contadores BF ₃ geralmente são operados na região proporcional.

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.

Folhas de ativação e fios de fluxo

Os nêutrons podem ser detectados usando folhas de ativação e fios de fluxo . Este método é baseado na ativação de nêutrons, onde uma amostra analisada é primeiro irradiada com nêutrons para produzir radionuclídeos específicos . O decaimento radioativo desses radionuclídeos produzidos é específico para cada elemento (nuclídeo). Cada nuclídeo emite os raios gama característicos que são medidos usando espectroscopia gama , onde os raios gama detectados em uma energia específica são indicativos de um radionuclídeo específico e determinam as concentrações dos elementos.

Os materiais selecionados para folhas de ativação são, por exemplo:

• índio,
• ouro,
• ródio,
• ferro
• alumínio  
• nióbio

Esses elementos têm grandes seções transversais para a captura radiativa de nêutrons . O uso de múltiplas amostras de absorvedores permite a caracterização do espectro de energia de nêutrons. A ativação também permite a recreação de uma exposição histórica a nêutrons. Os dosímetros de acidentes por criticidade comercialmente disponíveis geralmente utilizam esse método. Medindo a radioatividade de folhas finas, podemos determinar a quantidade de nêutrons a que as folhas foram expostas.

Os fios de fluxo podem ser usados ​​em reatores nucleares para medir os perfis de fluxo de nêutrons do reator. Princípios são os mesmos. O fio ou a folha é inserido diretamente no núcleo do reator , permanece no núcleo pelo período de tempo necessário para a ativação até o nível desejado. Após a ativação, o fio ou a película de fluxo é rapidamente removido do núcleo do reator e a atividade é contada. As folhas ativadas também podem discriminar os níveis de energia, colocando uma cobertura sobre a folha para filtrar (absorver) certos nêutrons do nível de energia. Por exemplo, o cádmio é amplamente usado para absorver nêutrons térmicos em filtros de nêutrons térmicos.

Detecção de nêutrons rápidos

Nêutrons rápidos são nêutrons de energia cinética maiores que 1 MeV (~ 15.000 km / s). Nos reatores nucleares, esses nêutrons são geralmente chamados de nêutrons de fissão. Os nêutrons de fissão têm uma distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann com uma energia média (para fissão de 235U ) 2 MeV. Dentro de um reator nuclear, os nêutrons rápidos são reduzidos às energias térmicas através de um processo chamado moderação de nêutrons . Esses nêutrons também são produzidos por processos nucleares, como fissão nuclear ou reações (ɑ, n).

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Mas é preciso acrescentar que a detecção de nêutrons rápidos é uma disciplina muito sofisticada, pois a seção transversal dos nêutrons rápidos é muito menor do que na faixa de energia dos nêutrons lentos. Os nêutrons rápidos são frequentemente detectados pela moderação (desaceleração) das energias térmicas. No entanto, durante esse processo, as informações sobre a energia original do nêutron, sua direção de viagem e o tempo de emissão são perdidas.

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.

Espectrômetro de esferas Bonner

Existem vários métodos para detectar nêutrons lentos e poucos métodos para detectar nêutrons rápidos. Portanto, uma técnica para medir nêutrons rápidos é convertê-los em
nêutrons lentos e depois medir os nêutrons lentos. Um dos métodos possíveis é baseado nas esferas de Bonner . O método foi descrito pela primeira vez em 1960 por Ewing e Tom W. Bonner e emprega detectores térmicos de nêutrons (geralmente cintiladores inorgânicos como o ⁶ LiI) embutidos em esferas moderadoras de tamanhos diferentes.  As esferas de Bonner têm sido amplamente utilizadas para a medição de espectros de nêutrons com energias de nêutrons variando de térmicas a pelo menos 20 MeV. Um espectrômetro de nêutrons de esfera Bonner (BSS) consiste em um detector de nêutrons térmicos, um conjunto de invólucros esféricos de polietilenoe dois invólucros de chumbo opcionais de vários tamanhos. Para detectar nêutrons térmicos, um detector de ³ He ou cintiladores inorgânicos como ⁶ LiI podem ser usados. Os cintiladores LiGlass são muito populares na detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Detecção de nêutrons usando o contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles podem ser usados ​​também para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

• Nêutrons . Como os nêutrons são  partículas eletricamente neutras,  elas 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.).  Os nêutrons rápidos  (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo,  cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos  dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores 6LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Nêutrons térmicos são nêutrons em equilíbrio térmico com um meio ambiente de temperatura 290K (17 ° C ou 62 ° F). A energia mais provável a 17 ° C (62 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de 0,025 eV (~ 2 km / s). Essa parte do espectro de energia dos nêutrons constitui a parte mais importante do espectro em reatores térmicos .

Os nêutrons térmicos têm uma seção transversal de absorção de nêutrons eficaz diferente e muitas vezes muito maior ( fissão ou captura radiativa ) para um determinado nuclídeo do que os nêutrons rápidos.

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Nos reatores nucleares, os detectores de ionização gasosa são os mais comuns, pois são muito eficientes, confiáveis ​​e cobrem uma ampla gama de fluxos de nêutrons. Vários tipos de detectores de ionização gasosa constituem o chamado  sistema de instrumentação nuclear excore (NIS) . O sistema de instrumentação nuclear excore monitora o nível de potência do reator,  detectando vazamentos de nêutrons  do núcleo do reator.

Detecção de nêutrons usando câmara de ionização

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações  10B (n, alfa) 7Li  acompanhadas por 0,48 MeV 

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo  o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso   (BF ₃ ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os  contadores BF ₃ geralmente são operados na região proporcional.

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.

Folhas de ativação e fios de fluxo

Os nêutrons podem ser detectados usando folhas de ativação e fios de fluxo . Este método é baseado na ativação de nêutrons, onde uma amostra analisada é primeiro irradiada com nêutrons para produzir radionuclídeos específicos . O decaimento radioativo desses radionuclídeos produzidos é específico para cada elemento (nuclídeo). Cada nuclídeo emite os raios gama característicos que são medidos usando espectroscopia gama , onde os raios gama detectados em uma energia específica são indicativos de um radionuclídeo específico e determinam as concentrações dos elementos.

Os materiais selecionados para folhas de ativação são, por exemplo:

• índio,
• ouro,
• ródio,
• ferro
• alumínio  
• nióbio

Esses elementos têm grandes seções transversais para a captura radiativa de nêutrons . O uso de múltiplas amostras de absorvedores permite a caracterização do espectro de energia de nêutrons. A ativação também permite a recreação de uma exposição histórica a nêutrons. Os dosímetros de acidentes por criticidade comercialmente disponíveis geralmente utilizam esse método. Medindo a radioatividade de folhas finas, podemos determinar a quantidade de nêutrons a que as folhas foram expostas.

Os fios de fluxo podem ser usados ​​em reatores nucleares para medir os perfis de fluxo de nêutrons do reator. Princípios são os mesmos. O fio ou a folha é inserido diretamente no núcleo do reator , permanece no núcleo pelo período de tempo necessário para a ativação até o nível desejado. Após a ativação, o fio ou a película de fluxo é rapidamente removido do núcleo do reator e a atividade é contada. As folhas ativadas também podem discriminar os níveis de energia, colocando uma cobertura sobre a folha para filtrar (absorver) certos nêutrons do nível de energia. Por exemplo, o cádmio é amplamente usado para absorver nêutrons térmicos em filtros de nêutrons térmicos.