Детекторы нейтронов

1) Газоразрядные счетчики.

В ядерной геофизике широкое применение нашли цилиндрические борные счетчики тепловых нейтронов, представляющие собой стеклянный баллон с металлическим внутренним покрытием (катод) и натянутую по оси цилиндра металлическую нить (анод). Баллон герметически закрыт и заполнен газовой смесью, содержащей соединения изотопа ¹⁰В(трехфтористый бор BF₃). Изотоп ¹⁰В обладает аномально большим сечением захвата тепловых нейтронов. При этом образуются ядро Li и -частица, которые производят ионизацию газа в счетчике. Во время реакции изотоп Li испускает -квант с энергией 0,48 МэВ.

Нейтронный поток часто сопровождается -излучением. Импульсы, возникающие в пропорциональном счетчике под действием -излучения, значительно меньше по амплитуде, чем импульсы, соответствующие нейтронам. Поэтому устранение -фона легко достигается применением амплитудных дискриминаторов на выходе счетчика.

Эффективность счета борных счетчиков лежит в пределах 10-20%. Эти же счетчики используют для регистрации надтепловых нейтронов. В этом случае счетчик окружают слоями кадмия и парафина. В кадмиевом слое поглощаются тепловые нейтроны. В слое парафина замедляются до тепловых энергий нейтроны, прошедшие через слой кадмия. Толщина кадмиевого слоя 0,5-1 мм, а слоя парафина - около 10 мм.

2) Сцинтилляционные счетчики.

Отличаются от подобных счетчиков -квантов только типом сцинтиллятора. Сцинтилляционные счетчики медленных нейтронов имеют в составе люминофора изотопы ¹⁰В или ⁶Li. Возбуждение люминофора происходит за счет образующихся при реакции -частицы и ядра отдачи.

Применяют монокристаллы LiJ(Tl), а также литиевые стекла. Эффективность литиевых детекторов при регистрации тепловых нейтронов может достигать 100%. -излучение создает в таких счетчиках импульсы малой амплитуды, которые устраняются дискриминатором.

Существуют сцинтилляционные счетчики быстрых нейтронов. Они представляют собой прозрачную водородосодержащую пластмассу, в которой взвешен сернистый цинк. Регистрация нейтронов производится за счет протонов, возникающих при рассеянии нейтронов на ядрах водорода.

Источники нейтронов

В природе не существует естественных радиоизотопов, которые непосредственно излучали бы нейтроны, исключая некоторые изотопы тяжелых элементов при спонтанном делении. Поэтому используют ядерные реакции, с помощью которых получают нейтроны косвенно.

Образование нейтронов происходит в результате реакций поглощения типа (,n) или (,n) ядрами некоторых элементов (мишени) -частиц или -квантов, испускаемых радиоактивными изотопами (излучателями).

В источниках, основанных на реакции (,n), образование нейтронов проходит следующим образом. Например, ядро бериллия, используемое в качестве мишени, поглощая -частицу ( ), испускаемую излучателем, превращается в ядро углерода с выделением энергии:

Возникновение нейтронов в источниках, основанных на реакции (,n) происходит в результате эндотермических реакций:

Эти реакции имеют практическое значение и на них основаны портативные нейтронные источники.

Конструктивно источники выполнены в виде герметичной стеклянной ампулы, защищенной латунным кожухом. В ампуле находится смесь порошков источника и мишени. В радиометрии скважин наибольшее практическое значение имеют Рo+Bе и Рu+Ве источники быстрых нейтронов с энергией выхода нейтронов Е  4 МэВ.

Недостатки ампульных источников:

1) Опасность облучения обслуживающего персонала.

2) Не монохроматичность энергетического спектра.

3) Малая энергия испускаемых нейтронов.

4) Изменения выхода нейтронов во времени, вследствие распада радиоактивных препаратов.

5) Только стационарный режим работы.

О

1 – катод;2 - цилиндрический анод;

3 - электрод с мишенью;

4 - катушка;

5 - баллон;

U₁ - питание анода;

U₂ - питание электрода мишени (высоковольтное).

т большей части перечисленных недостатков свободны скважинные генераторы быстрых нейтронов. Здесь используются ядерные реакции при бомбардировке мишени, которая представляет собой легкие элементы (например, тритий). Бомбардировка мишени производится ядрами дейтерия (дейтонами), ускоренными в электростатическом поле.

При этом получается моноэнергетический спектр с энергией нейтронов  14,1 МэB. Мощность генераторов порядка 10⁷ - 10¹⁰ нейтр/с.

Основным элементом генератора нейтронов является ускорительная трубка с мишенью.

Катод, при пропускании через него электрического тока, нагревается и испускает электроны термоэмиссии, которые под воздействием электрического поля катушки могут перемещаться внутри анода. Переменное напряжение на аноде и в катушке вызывает колебательные движения электронов, во время которого происходит ионизация заполняющего баллон дейтерия. Под действием высокого отрицательного потенциала на электроде (представляющего собой циркон или титан, насыщенные тритием) положительные ионы дейтерия разгоняются и бомбардируют тритий электрода.

Импульсный или стационарный режим работы генератора зависит от того является ли высокое напряжение U₂ переменным или постоянным.