Глава 13

Детекторы нейтронов

Т. В. Крейн и М. П. Бейкер (Переводчик Н. В. Бабкина)

13.1 МЕХАНИЗМЫ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ

Механизмы регистрации нейтронов в веществе основаны на косвенных методах. Нейтроны, как видно из их названия, нейтральны. Они не вступают, как гам- ма-кванты, в непосредственное взаимодействие с электронами вещества. Процесс регистрации нейтронов начинается тогда, когда при взаимодействии с ядрами нейтроны инициируют образование одной или нескольких заряженных частиц. Электрические сигналы, образованные этими заряженными частицами, могут затем обрабатываться детектирующей системой.

Существуют два основных типа взаимодействия нейтронов с веществом. Во-первых, может иметь место рассеяние нейтрона на ядре с передачей последнему части кинетической энергии нейтрона. Если при этом передается достаточное количество энергии, ядро отдачи ионизирует вещество вокруг точки взаимодействия. Данный механизм эффективен лишь при взаимодействии нейтронов с легкими ядрами. Для практического использования в детекторах достаточно легкими являются только ядра водорода и гелия. Во-вторых, нейтрон может вызвать ядерную реакцию. Продукты этих реакций, такие как протоны, альфа-частицы, гамма-кванты и осколки деления, могут регистрироваться детектором. Условием протекания некоторых реакций является наличие минимальной энергии нейтронов (энергетического порога), но большинство реакций могут происходить и на тепловых нейтронах. Детекторы, регистрирующие тепловые нейтроны, как правило, окружены материалом-замедлителем нейтронов, что позволяет добиться максимальной эффективности регистрации.

Детекторы, использующие либо механизм отдачи, либо механизм ядерной реакции, могут иметь твердое, жидкое или газообразное наполнение. Хотя выбор реакций и ограничен, детектирующая среда может быть достаточно разнообразна, что создает множество вариантов. В настоящей главе описываются пропорциональные счетчики, сцинтилляторы, камеры деления, камеры с покрытием из 10В и другие типы нейтронных детекторов. Газонаполненные детекторы рассматриваются в разделах 13.4.1 — 13.4.4, пластмассовые и жидкие сцинтилляторы — в разделе 13.5, другие типы детекторов — в разделе 13.6.

Информация об энергии нейтронов, получаемая с помощью детектирующих систем, как правило, скудна из-за ограниченного числа возможных нейтронных реакций. Счетчики на ядрах отдачи регистрируют только первый акт взаимодействия. При этом энергия нейтрона, как правило, полностью не поглощается в детекторе; единственная информация об энергии, которая может быть получена, это информация о том, инициировано ли это взаимодействие нейтроном высокой или низкой энергии. В счетчиках на ядерных реакциях используется преимуще-

ство более высокой вероятности реакции при низких энергиях нейтронов путем предварительного замедления нейтронов. Но информация о начальной энергии нейтронов до замедления при этом теряется. Энергия, регистрируемая детектором, — это энергия реакции (и, возможно, остаточная начальная энергия нейтронов). В целом, таким образом нейтронные детекторы позволяют получить информацию только о количестве зарегистрированных нейтронов, но не об их энергии. Данные об энергетическом диапазоне зарегистрированных нейтронов обычно могут быть получены из сведений о типе детектора и окружающих материалах. Если требуются данные по энергетическому спектру нейтронов, они могут быть иногда получены косвенными методами, представленными в р азделе 13.7.

13.2ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Газонаполненные детекторы были одними из первых приборов, использовавшихся для регистрации излучений. Они могут применяться для регистрации либо тепловых нейтронов за счет ядерных реакций, либо быстрых нейтронов посредством ядер отдачи. После того, как произошло начальное взаимодействие, регистрация нейтронов осуществляется с помощью однотипной вторичной аппаратуры, в которой для подключения различных детекторов предусмотрено регулирование напряжения высоковольтного питания и усиления. На рис. 13.1 представлена типовая блок-схема газонаполненного детектора для регистрации нейтронов. На рис. 13.2 показаны некоторые наиболее распростране нные детекторы.

Ðèñ. 13.1. Типовая блок-схема включения газонаполненных детекторо в нейтронов

По внешнему виду газонаполненный детектор представляет собой металли- ческий цилиндр с электрическим разъемом на одном конце (или на обоих концах при проведении позиционно чувствительных измерений). Выбор разъема зависит от характера предполагаемого использования детектора; это может быть как простой проволочный вывод, так и другие широко используемые типы разъемов. Стенки корпуса детектора имеют толщину 0,5 мм и изготовлены из нержавеющей стали или алюминия. Характеристики обоих материалов вполне удовлетворительны, наблюдается лишь незначительное различие в пропускании нейтронов и кон-

Ðèñ. 13.2. Детекторы нейтронов различных размеров, наполненные BF3 è 3He

струкционной прочности. Стенки корпуса из нержавеющей стали поглощают около 3 % нейтронов, а стенки корпуса из алюминия — около 0,5 %. По этой при- чине предпочтение обычно отдается алюминиевым трубкам из-за более высокой эффективности регистрации нейтронов. Вместе с тем, в ряде случаев стальные трубки имеют небольшое преимущество перед алюминиевыми трубками: они не требуют чрезмерной осторожности при сборке, соединительные нити менее подвержены коррозийному воздействию, может быть понижен уровень примесей. При очень низкой скорости счета наблюдался фон 1 имп./мин, что было отнесено за счет примеси радия в алюминии [1].

Центральная нить, показанная на рис. 13.1, имеет толщину 0,03 мм и изготовлена из позолоченного вольфрама. Вольфрам обеспечивает прочность тонкой нити на растяжение, а покрытие из золота улучшает электропроводность. Положение нити фиксируется керамическими изоляторами.

Иногда внутренняя поверхность корпуса детектора покрывается активированным углем. Такое покрытие используется для трубок, наполненных трифторидом бора (BF3) èëè 3He, при измерениях больших потоков нейтронов. Активированный уголь позволяет абсорбировать электроотрицательные ионы газа, которые образуются под воздействием нейтронов. Например, в детекторах, наполненных BF3, при каждом захвате нейтрона атомом бора образуется три атома фтора. При последующих захватах нейтронов атомы фтора соединяются с образующимися электронами. Сначала данный процесс снижает амплитуду электриче- ского импульса, а в конечном счете полностью прекращает образование выходного импульса [2]. Дополнительные данные о конструкции газонаполненных детекторов можно найти в работах [3 и 4].

Как показано в разделе 13.1, регистрация нейтронов предполагает передачу ча- сти или всей энергии нейтронов заряженным частицам. Затем заряженная частица ионизирует и возбуждает атомы вдоль своей траектории до тех пор, пока не будет исчерпана ее энергия. Для создания пары ионов в газонаполненном детекторе требуется около 30 эВ. Максимальное число пар ионов, которое может быть образовано, равно Е/30 эВ, где E — кинетическая энергия заряженной частицы (или заряженных частиц) в эВ. Например, при передаче энергии 765 кэВ образуются положительные и отрицательные заряды, в сумме составляющие около 8Ч10-15 Êë.

Если на трубку подается незначительное напряжение или оно не подается совсем, то большинство ионов рекомбинируют, и электрический сигнал на выходе не образуется. При приложении к центральной нити (аноду) положительного потенциала электроны начинают двигаться в направлении анода, а положительно заряженные ионы — к стенке корпуса (катоду). При этом на выходе детектора об-

Ðèñ. 13.3. Зависимость амплитуды импульсов от напряжения источник а питания газонаполненных счетчиков с разделением на области рекомбинац ии, ионизации, пропорциональности и области счетчика Гейгера-Мюллера

разуется электрический сигнал, амплитуда которого зависит от величины прилагаемого напряжения, геометрии счетчика и газа-наполнителя. Указанные параметры определяют, работает ли детектор в ионизационной области, пропорциональной области или области счетчика Гейгера-Мюллера. Эти рабочие области показаны на рис. 13.3.

В ионизационной области приложенное напряжение достаточно для сбора почти всех электронов до того, как они рекомбинируют. В этой точке достигается плато счетной характеристики детектора, и дальнейшее незначительное увеличе- ние напряжения не приводит к образованию дополнительных электронов. Детекторы, работающие в данной области, называются ионизационными камерами. Собранный заряд пропорционален энергии, переданной газу, и не зависит от величины прилагаемого напряжения.

Область работы детектора, следующая за ионизационной областью, называется областью пропорциональности. Напряженность электрического поля здесь достаточно высока для того, чтобы первичные электроны получили необходимую энергию для ионизации молекул газа и создания вторичной ионизации. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля вторичные электроны также могут ионизировать молекулы газа. С увеличением напряженности электрического поля данный процесс быстро развивается, при этом значительно увеличивается число ионов, образованных в первоначальном акте. Этот процесс кумулятивного усиления называется лавинной ионизацией. Если из одной пер-

воначальной пары ион-электрон образовалось А таких пар, то коэффициент газового усиления равен А. Коэффициент газового усиления будет равен единице для ионизационной камеры, когда не образуется вторичных ионов, и колебаться в пределах от 103 äî 105 для пропорциональных счетчиков хорошей конструкции. Обратите внимание, что в области пропорциональности собранный заряд также прямо пропорционален энергии, переданной газу.

Для обеспечения процесса газового усиления электрон должен получить достаточную энергию на расстоянии в одну или несколько средних длин свободного пробега, чтобы ионизировать нейтральную молекулу. Средняя длина свободного пробега — это среднее расстояние, которое проходит электрон в газовой среде пропорционального счетчика между столкновениями, равное примерно 1–2 мкм. Для получения коэффициента газового усиления 106 требуется менее 20 средних длин свободного пробега, из чего можно заключить, что рассматриваемый процесс протекает лишь в ограниченной области вокруг нити. В остальном объеме электроны дрейфуют в сторону анода. Поскольку процесс газового усиления предполагает наличие очень сильного электрического поля, преимуществом цилиндрической конструкции детектора и является как раз сильное электрическое поле вблизи внутренней нити. Полное усиление пропорционально не пройденному расстоянию, а разности потенциалов электрического пол я.

В то время, как электроны дрейфуют в направлении анода, положительные ионы дрейфуют в направлении катода. В пропорциональном счетчике скорость дрейфа электронов приблизительно на три порядка выше скорости дрейфа положительных ионов. Поскольку лавина формируется вблизи нити-анода, электроны с большей скоростью дрейфа собираются в течение крайне короткого отрезка времени (10-8 с); дрейфующие с меньшей скоростью положительные ионы собираются на катоде за большее время. Поэтому время нарастания фронта наблюдаемых импульсов имеет две составляющие: быструю, обусловленную движением электронов, и последующую медленную, обусловленную движением положительных ионов. Кроме того, поскольку положительные ионы образуются первона- чально вблизи анода и должны затем дрейфовать через все пространство между анодом и катодом, то амплитуда импульса в значительной степени определяется дрейфом положительных ионов. Импульс достигает полной амплитуды только тогда, когда полностью собраны все положительные ионы. При использовании типового пропорционального счетчика время собирания заряда может достигать 200 мкс. Путем дифференцирования можно получить гораздо более короткие импульсы без существенной потери амплитуды, обеспечивая таким образом высокую скорость счета. Можно рассмотреть изменение временного интервала, обусловленное изменением времени дрейфа первичных электронов из области взаимодействия до нити-анода. Оно зависит от напряжения на трубке и ее диаметра; для некоторых типовых газонаполненных детекторов был установлен следующий временной интервал: 1,1 мкс (CH4), 2,5 ìêñ (3He) è 17 ìêñ (4He) [5].

По мере дальнейшего увеличения напряжения пропорциональность между первичным зарядом и выходным сигналом постепенно теряется. Эта потеря обусловлена прежде всего эффектом насыщения у нити-анода. При достижении первичными ионами областей высокой напряженности электрического поля около нити начинает развиваться и быстро достигает максимального значения лавинный процесс, поскольку вторичные электроны создают дополнительные лавины по оси вдоль нити. В отличие от пропорциональной области, где лавина локализо-

вана, в данном случае лавины распространяются по всей длине нити-анода, и процесс завершается только тогда, когда напряженность электрического поля значи- тельно падает, что препятствует ускорению вторичных электронов. При слабой первичной ионизации возможны коэффициенты усиления до 1010. Детекторы, работающие в данной области, называются счетчиками Гейгера-Мюллера (или просто счетчиками Гейгера). Счетчики Гейгера имеют простую электронику и широко используются в сложных полевых условиях. Поскольку для них характерно быстрое насыщение, счетчики Гейгера не могут применяться при высоких скоростях счета, но это ограничение не мешает их использованию в качестве прибора измерений излучений низкой интенсивности.

Нейтронные счетчики, работающие в режиме ионизационной камеры или пропорционального счетчика, могут создавать на выходе или усредненный ток, или отдельные импульсы, что зависит от используемой электроники. Измерение только усредненного выходного тока реализуется в радиационных дозиметрах и мониторах мощности реактора. При анализе ядерного материала нейтронные счетчики обычно используются в импульсном режиме, что позволяет регистрировать отдельные нейтроны.

Âзависимости от области применения рассматриваемые детекторы обычно

заполняются 3He, 4He, BF3 èëè CH4 под давлением от 1 до 20 атм. Для улучшения рабочих характеристик детектора часто добавляются другие газы. Например, для сокращения длины пробега продуктов реакции может использоваться тяжелый газ, такой как аргон, при этом большая часть кинетической энергии продуктов реакции передается газу, и таким образом улучшается амплитудное разрешение выходных импульсов. Добавление тяжелого газа также ускоряет собирание зарядов, но имеет и негативное последствие — повышает чувствительность детектора к гамма-излучению [6].

Âнаполнитель пропорционального счетчика может также добавляться многоатомный газ, имеющий эффект газа-гасителя. Вращательные степени свободы, характерные для молекул многоатомного газа, ограничивают количество энергии, получаемой электронами при прохождении разности потенциалов, позволяя таким образом гасить и сокращать лавинный процесс и уменьшать наложение им-

пульсов. Такие газы, как BF3 è CH4, сами являются многоатомными и не требуют добавления газа-гасителя. Трубки, наполненные 3He è 4He, часто содержат в каче-

стве добавки незначительное количество CH4 èëè CO2. Поскольку BF3 è CH4 являются многоатомными газами, наполненные ими детекторы требуют более высокого рабочего напряжения. Кроме того, относительно большое количество многоатомного газа ограничивает прирост энергии, получаемой между столкновениями, поэтому обычно давление газа в этих детекторах не может быть таким высоким, как давление в детекторах, наполненных одноатомными газами.

13.3ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДЕТЕКТОРОВ НЕЙТРОНОВ К ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЮ

Детекторы нейтронов, рассмотренные в данной главе, в определенной степени чувствительны как к нейтронному, так и к гамма-излучению. Поскольку большинство ядерных материалов излучает гамма-квантов в 10 и более раз больше, чем нейтронов, чувствительность нейтронного детектора к гамма-излучению является важным критерием при его выборе. В измерениях отработавшего топлива

при мощности дозы гамма-излучения 1000 Р/ч и более, чувствительность детектора к гамма-излучению может стать определяющим фактором .

В любом детекторе гамма-кванты могут передавать энергию электронам в процессе комптоновского рассеяния (см. главу 2), подобно тому, как нейтроны передают энергию ядрам путем рассеяния или в ядерных реакциях. Комптоновское рассеяние может иметь место на стенках детектора или на атомах газа-напол- нителя с образованием высокоэнергетического электрона, который, в свою оче- редь, при пересечении объема детектора ионизирует газ. В некоторых детекторах электронные импульсы, вызванные гамма-квантами, сравнимы по высоте с импульсами от нейтронов; в других детекторах они значительно меньше, но их наложения в течение времени разрешения электроники детектора могут давать импульсы, сравнимые с импульсами нейтронов. При оценке относительной величины отклика детектора от нейтронов и гамма-квантов следует учитывать четыре фактора.

1.Использование защитного экрана от гамма-излучения существенно влияет на относительную величину отклика детектора. Например, при облучении детектора нейтронами деления с энергией 1 МэВ в присутствии гамма-квантов с энергией 1 МэВ экран из свинца толщиной 5 см обеспечивает поглощение около 0,1 % нейтронов и 90 % гамма-квантов.

2.Конструкция и материалы некоторых детекторов способствуют поглощению нейтронов. В табл. 13.1 представлены характеристики детекторов тепловых и быстрых нейтронов. Из таблицы видно, что вероятность поглощения тепловых нейтронов значительно выше вероятности поглощения гамма-квантов. При регистрации быстрых нейтронов вероятности взаимодействия с материалом детектора быстрых нейтронов и гамма-квантов сопоставимы.

Таблица 13.1 — Вероятность взаимодействия нейтронов и гамма-квантов с материалами пропорциональных счетчиков и сцинтилляторов

Таблица 13.2 — Количество энергии, передаваемой нейтронами и гамма-квантами материалам пропорциональных счетчиков и сцинтилляторов

*Длина пробега электронов рассчитывалась как 2Ч диаметр трубки.

3.Материалам некоторых детекторов нейтроны передают больше энергии, чем гамма-кванты. Нейтроны могут вызывать ядерную реакцию, в ходе которой высвобождается больше энергии, чем передается электрону при комптоновском рассеянии гамма-квантов (средняя энергия, теряемая гамма-квантом с энергией 1 МэВ, равна примерно 400 кэВ). Кроме того, в газонаполненных детекторах длина пробега электрона обычно значительно больше длины пробега тяжелых заряженных частиц, образующихся при нейтронных взаимодействиях. Если заданное давление газа должно обеспечить полное торможение лишь тяжелых заряженных частиц, то электроны будут покидать объем трубки, передавая газу лишь незначительную часть своей энергии. В табл. 13.2 приведены некоторые цифры, иллюстрирующие вышесказанное. В ней также показано, что при регистрации быстрых нейтронов пластмассовыми сцинтилляторами относительная отдача энергии нейтронами и гамма-кван- тами примерно одинакова.

4.Скорость собирания зарядов для регистрации нейтронов и гамма-квантов может отличаться. Она во многом зависит от выбора газа-наполнителя или материала сцинтиллятора. В газонаполненных детекторах большей длине пробега электрона, образовавшегося в результате взаимодействия гамма-кванта с газом, соответствует большее время собирания зарядов. Усилитель с быстрым дифференцированием соберет тогда относительно меньшее число зарядов, образованных гамма-квантами, и большее число зарядов, образованных в нейтронных взаимодействиях. Для сцинтилляторов это различие не так очевидно. В некоторых

случаях, однако, можно отличить импульсы от нейтронов и гамма-квантов посредством дискриминации по форме импульса (см. раздел 13.5.3).

Чтобы добиться надежной дискриминации гамма-излучения, часто необходимо использовать определенные материалы или материалы определенной плотности, которые не являются оптимальным выбором для регистрации нейтронов. Результатом этого может стать снижение эффективности регистрации нейтронов. В табл. 13.3 приведены данные по эффективности регистрации нейтронов и приблизительные предельные мощности дозы гамма-излучения для различных типов нейтронных детекторов. Эффективность детектора определяется как вероятность регистрации нейтрона определенной энергии при единичном пересечении рабочей области детектора. Фактическая эффективность детектора как целостной системы зависит от его геометрии. Полученная эффективность может оказаться ниже расчетной, которая приведена в табл. 13.3. Дополнительная информация по данным детекторам и их чувствительности к гамма-излучению дана в последующих разделах.

Таблица 13.3 — Эффективность и чувствительность к гамма-квантам некоторых детекторов нейтронов

*Вероятностьвзаимодействиянейтронов,падающихподпрямымугломкповерхностидетектора ** Приблизительный верхний предел мощности дозы гамма-излучения, при которой еще можно получать сигналы на выходе детектора