5. Способы регистрации нейтронов.

Нейтроны могут детектироваться только с помощью вторичных заряженных частиц, которые они производят, взаимодействуя с веществом. Вторичные частицы должны иметь энергию, достаточную для создания ионизации, детектируемой измерительным устройством.

Вторичными заряженными частицами могут быть протоны, возникающие в результате соударений нейтронов с ядрами водорода, альфа-частицы, возникающие при (n,α)-реакциях нейтронов с легкими ядрами (¹⁰В, ⁶Li). В результате реакций радиационного захвата нейтронов возникают радиоактивные ядра, при распадах которых испускаются β-частицы и γ-кванты. Нейтроны вызывают деление тяжелых ядер с образованием многозарядных ионов (осколков деления) и гамма-излучения.

Газовые ионизационные камеры.

При прохождении заряженных частиц в газах происходит ионизация, образуются электроны и ионы. Если это происходит между электродами, то в результате движения зарядов в цепи возникает ток.

При малой напряженности электрического поля в объеме величина тока не зависит от напряжения и пропорциональна числу образовавшихся зарядов. В этом случае детектор называется ионизационной камерой.

При более высоком напряжении в результате вторичной ионизации происходит усиление первичного ионизационного эффекта. В этом случае ток в цепи зависит от напряжения и пропорционален заряду, созданному частицей. Такой детектор называют пропорциональным счетчиком. При дальнейшем увеличении напряжения каждая частица, попавшая в детектор, вызывает электрический заряд. Такой прибор называют газоразрядным счетчиком.

Мертвое время: после каждого разряда счетчик некоторое время остается нечувствительным.

Сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляторы – вещества, в которых под действием заряженных частиц или излучений возникают фотоны видимой или ультрафиолетовой части спектра. Кроме того они слабо поглощают эти собственные излучения.

Вторая часть сцинтилляционного детектора – фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают электроны. Под действием электрического поля эти электроны направляются на диноды ФЭУ, где происходит вторичная электронная эмиссия, в результате на анод ФЭУ приходит в 10⁴-10⁷ раз больше электронов, чем вылетело с фотокатода. Возникает электрический импульс, который регистрируется.

После попадания в сцинтиллятор ионизирующей частицы интенсивность флюоресценции затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизни возбужденных молекул. Электронный заряд, собираемый на аноде ФЭУ, экспоненциально возрастает с той же постоянной времени.

Полупроводниковые детекторы (ППД). ППд можно представить в виде ионизационной камеры с твердым веществом между электродами. При поглощении ионизирующего излучения образуются носители электрических зарядов (электроны и дырки), которые под действием электрического поля собираются на электродах.

ППД имеют важные преимущества перед ионизационными камерами:

• Плотность вещества в чувствительном объеме в 10³ раз выше, поэтому выше эффективность;

• Более высокая разрешающая способность.

Другие достоинства – линейная связь между амплитудой сигнала и энергией регистрируемого излучения, короткий фронт сигнала.

Требования к материалу ППД:

• Малый расход энергии на создание пары носителей заряда;

• Отсутствие рекомбинации и захвата носителей заряда;

• Большие и близкие по величине подвижности носителей заряда;

• Высокое удельное сопротивление.

Чем меньше расход энергии на создание пары носителей заряда, тем больше образуется носителей, тем больше вырабатывается сигнал и тем меньще относительная флуктуация величины сигнала, от которой зависит разрешение. У ППД есть средняя энергия образования пары носителей примерно в 10 раз меньше, чем у газовых камер, и в 100 раз меньше, чем у сцинтилляторов.

Чем выше подвижность носителей, тем лучше временные характеристики детектора. Если подвижности электронов и дырок равны, то амплитуда сигнала не зависит от места образования носителей в объеме детектора.

Всем перечисленным требованиям лучше всего могут удовлетворять кристаллические Si и Ge, хотя их удельные сопротивления меньше чем требуется. (у Si примерно 10⁴ Ом/см, у Ge 10 Ом/см). Поэтому повышают их удельное сопротивление, путем охлаждения (для уменьшения шумов).