Neutron deteksjon - Neutron detection

Vitenskap med nøytroner
Neutron.svg
Fundamenter
Nøytronspredning
Andre applikasjoner
Infrastruktur
Neutronanlegg

Nøytrondeteksjon er effektiv deteksjon av nøytroner som kommer inn i en godt posisjonert detektor . Det er to viktige aspekter ved effektiv nøytrondeteksjon: maskinvare og programvare. Deteksjonsmaskinvare refererer til den typen nøytrondetektor som brukes (den vanligste i dag er scintillasjonsdetektoren ) og til elektronikken som brukes i deteksjonsoppsettet. Videre definerer maskinvareoppsettet også viktige eksperimentelle parametere, for eksempel kilde-detektoravstand, solid vinkel og detektorskjerming. Deteksjonsprogramvare består av analyseverktøy som utfører oppgaver som grafisk analyse for å måle antall og energier til nøytroner som treffer detektoren.

Grunnleggende fysikk

Signaturer der et nøytron kan oppdages

Atomiske og subatomære partikler oppdages av signaturen de produserer gjennom interaksjon med omgivelsene. Interaksjonene skyldes partikkelenes grunnleggende egenskaper.

  • Ladning: Nøytroner er nøytrale partikler og ioniserer ikke direkte; derfor er de vanskeligere enn ladede partikler å oppdage direkte. Videre påvirkes deres bevegelsesveier bare svakt av elektriske og magnetiske felt.
  • Masse: nøytronmassen til 1.008 664 9156 (6)  u er ikke direkte påviselig, men påvirker reaksjoner som den kan oppdages gjennom.
  • Reaksjoner: Nøytroner reagerer med et antall materialer gjennom elastisk spredning som produserer en tilbakelent kjerne, uelastisk spredning som produserer en eksitert kjerne, eller absorpsjon med transmutasjon av den resulterende kjernen. De fleste oppdagelsesmetoder er avhengige av å oppdage de forskjellige reaksjonsproduktene.
  • Magnetisk øyeblikk: Selv om nøytroner har et magnetisk øyeblikk på -1,913 0427 (5)   μ N , teknikker for påvisning av magnetmomentet er for ufølsomme til å brukes til nøytrondeteksjon.
  • Elektrisk dipolmoment: Neutronen antas å ha bare et lite elektrisk dipolmoment , som ennå ikke er blitt oppdaget. Derfor er det ikke en levedyktig påvisningssignatur.
  • Forfall: Utenom kjernen er frie nøytroner ustabile og har en gjennomsnittlig levetid på 885,7 ± 0,8 s (ca. 14 minutter, 46 sekunder). Gratis nøytroner forfaller ved utslipp av et elektron og et elektronantineutrino for å bli et proton, en prosess kjent som betaforfall :

n 0
→
s +
+
e -
+
ν
e .
Selv om
s +
og
e -
produsert av nøytronforfall er påvisbare, er forfallshastigheten for lav til å tjene som grunnlag for et praktisk detektorsystem.

Klassiske nøytrondeteksjonsalternativer

Som et resultat av disse egenskapene faller påvisning av nøytroner i flere hovedkategorier:

  • Absorberende reaksjoner med raske reaksjoner - nøytroner med lav energi oppdages vanligvis indirekte gjennom absorpsjonsreaksjoner. Typiske absorberingsmaterialer som brukes har høye tverrsnitt for absorpsjon av nøytroner og inkluderer helium-3 , litium-6 , bor-10 og uran-235 . Hver av disse reagerer ved utslipp av ioniserte partikler med høy energi, hvis ioniseringsspor kan oppdages på en rekke måter. Vanlige reaksjoner inkluderer 3 He (n, p) 3 H, 6 Li (n, t) 4 He, 10 B (n, α) 7 Li og fisjon av uran.
  • Aktiveringsprosesser - Nøytroner kan oppdages ved å reagere med absorbere i en strålingsfangst , spallasjon eller lignende reaksjon, og produsere reaksjonsprodukter som deretter forfaller på et senere tidspunkt, og frigjør betapartikler eller gammas . Utvalgte materialer (f.eks. Indium , gull , rodium , jern ( 56 Fe (n, p)  56 Mn), aluminium ( 27 Al (n, α) 24 Na),  niob ( 93 Nb (n, 2n)  92m Nb), & silisium ( 28 Si (n, p) 28 Al)) har ekstremt store tverrsnitt for fangst av nøytroner innenfor et veldig smalt bånd av energi. Bruk av flere absorberprøver tillater karakterisering av nøytronens energispektrum. Aktivering tillater også rekreasjon av en historisk nøytroneksponering (f.eks. Rettsmedisinsk rekreasjon av nøytroneksponeringer under en utilsiktet kritikk ).
  • Elastiske spredningsreaksjoner (også referert til som protonrekyl) - nøytroner med høy energi oppdages vanligvis indirekte gjennom elastiske spredningsreaksjoner . Nøytroner kolliderer med atomkjernene i detektoren, overfører energi til disse kjernene og skaper ioner som blir oppdaget. Siden den maksimale overføringen av energi skjer når massen av atomet som nøytronet kolliderer med er sammenlignbart med nøytronmassen, er ofte hydrogenholdige materialer det foretrukne mediet for slike detektorer.

Typer nøytrondetektorer

Gass proporsjonale detektorer

Gass proporsjonale detektorer kan tilpasses for å oppdage nøytroner. Mens nøytroner vanligvis ikke forårsaker ionisering , tillater tilførselen av et nuklid med høyt nøytrontverrsnitt detektoren å reagere på nøytroner. Nuklider som ofte brukes til dette formålet er helium-3 , litium-6 , bor-10 og uran-235 . Siden disse materialene mest sannsynlig reagerer med termiske nøytroner (dvs. nøytroner som har bremset til likevekt med omgivelsene), er de vanligvis omgitt av modererende materialer for å redusere energien og øke sannsynligheten for deteksjon.

Ytterligere forbedringer er vanligvis nødvendige for å skille nøytronsignalet fra effekten av andre typer stråling. Siden energien til et termisk nøytron er relativt lav, er ladede partikkelreaksjoner diskrete (dvs. i det vesentlige monoenergetiske og ligger innenfor en smal båndbredde av energier) mens andre reaksjoner som gammareaksjoner vil strekke seg over et bredt energiområde, er det mulig å skille mellom kildene.

Som klasse måler gassioniseringsdetektorer antallet ( tellehastighet ), og ikke energien til nøytroner.

3 Han gassfylte proporsjonale detektorer

En isotop av Helium, 3 Han sørger for et effektivt nøytrondetektormateriale fordi 3 Han reagerer ved å absorbere termiske nøytroner, og produserer et 1 H og 3 H ion. Dens følsomhet for gammastråler er ubetydelig, og gir en veldig nyttig nøytrondetektor. Dessverre er tilførselen av 3 He begrenset til produksjon som et biprodukt fra forfallet av tritium (som har en halveringstid på 12,3 år); tritium produseres enten som en del av våpenprogrammer som en booster for atomvåpen eller som et biprodukt av reaktordrift.

BF 3 gassfylte proporsjonale detektorer

Siden elementært bor ikke er gassformig, kan nøytrondetektorer som inneholder bor alternativt bruke bortrifluorid (BF 3 ) beriket til 96% bor-10 (naturlig bor er 20% 10 B, 80% 11 B). Bortrifluorid er svært giftig. Følsomheten til denne detektoren er rundt 35-40 CPS / nv, mens den for boret er ca. 4 CPS / nv. Dette er fordi i borforet reagerer n med bor og dermed produserer ionepar inne i laget. Derfor produserte ladede partikler (Alpha og Li) de mister noe av energien inne i laget. Partikler med lav energi som ikke er i stand til å nå ioniseringskammerets gassmiljø. Derfor er antall ioniseringer produsert i gass også lavere.

Mens i BF3 fylt gass reagerer N med B i gass. og fullt energiske Alpha og Li er i stand til å produsere flere ioniseringer og gi flere pulser.

Borforede proporsjonale detektorer

Alternativt reagerer borforede gassfylte proporsjonale tellere på samme måte som BF 3 gassfylte proporsjonale detektorer, med unntak av at veggene er belagt med 10 B. I denne utformingen, siden reaksjonen finner sted på overflaten, er bare en av to partikler vil rømme inn i proporsjonal teller.

Scintillasjons nøytrondetektorer

Scintillasjons nøytrondetektorer inkluderer flytende organiske scintillatorer, krystaller, plast, glass og scintillasjonsfibre.

Nøytronsensitive scintillerende glassfiberdetektorer

Scintillating 6 Li-glass for deteksjon av nøytroner ble først rapportert i den vitenskapelige litteraturen i 1957, og viktige fremskritt ble gjort på 1960- og 1970-tallet. Glitrende fiber ble demonstrert av Atkinson M. et al. i 1987 og store fremskritt ble gjort på slutten av 1980-tallet og tidlig på 1990-tallet ved Pacific Northwest National Laboratory hvor det ble utviklet som en klassifisert teknologi. Det ble avklassifisert i 1994 og først lisensiert av Oxford Instruments i 1997, etterfulgt av en overføring til Nucsafe i 1999. Fiber- og fiberdetektorene produseres nå og selges kommersielt av Nucsafe, Inc.

De glitrende glassfibrene fungerer ved å inkorporere 6 Li og Ce 3+ i glassblandingen. Den 6 Li har et høyt tverrsnitt for termiske nøytroner absorpsjon gjennom 6 Li (n, α) reaksjon. Nøytronabsorpsjon produserer et tritiumion, en alfapartikkel og kinetisk energi. Alfapartikkelen og triton samhandler med glassmatrisen for å produsere ionisering, som overfører energi til Ce 3+ -ioner og resulterer i utslipp av fotoner med bølgelengde 390 nm - 600 nm når den eksiterte tilstanden Ce 3+ -ioner går tilbake til grunntilstanden. Arrangementet resulterer i et lysglimt på flere tusen fotoner for hvert absorbert nøytron. En del av scintillasjonslyset forplanter seg gjennom glassfiberen, som fungerer som en bølgeleder. Fiberendene er koplet optisk til et par fotomultiplikatorrør (PMT) for å oppdage fotonutbrudd. Detektorene kan brukes til å oppdage både nøytroner og gammastråler, som vanligvis skiller seg ut ved hjelp av puls-høyde-diskriminering. Det er gjort en betydelig innsats og fremgang for å redusere fiberdetektorens følsomhet for gammastråling. Originale detektorer led av falske nøytroner i et 0,02 mR gammafelt. Forbedringer i design, prosess og algoritme muliggjør nå drift i gammafelt opp til 20 mR / t ( 60 Co).

De glitrende fiberdetektorene har utmerket følsomhet, de er robuste og har rask timing (~ 60 ns), slik at et stort dynamisk område i tellehastigheter er mulig. Detektorene har fordelen at de kan formes til en hvilken som helst ønsket form, og kan gjøres veldig store eller veldig små for bruk i en rekke anvendelser. Videre stoler de ikke på 3 He eller noe råvare som har begrenset tilgjengelighet, og inneholder heller ikke giftige eller regulerte materialer. Ytelsen deres samsvarer med eller overstiger den for 3 He-rør for grov nøytrontelling på grunn av den høyere tettheten av nøytronabsorberende arter i det faste glasset sammenlignet med høytrykksgassformig 3 He. Selv om det termiske nøytrontverrsnittet på 6 Li er lavt sammenlignet med 3 He (940 fjøs vs. 5330 fjøs), er atomtettheten på 6 Li i fiberen femti ganger større, noe som resulterer i en fordel i et effektivt fangstdensitetsforhold på ca. 10: 1.

LiCaAlF 6

LiCaAlF 6 er en nøytronsensitiv uorganisk scintillatorkrystall som i likhet med nøytronsensitive scintillerende glassfiberdetektorer bruker nøytronfangst med 6 Li. I motsetning til scintillerende glassfiberdetektorer er imidlertid 6 Li en del av den krystallinske strukturen til scintillatoren og gir den en naturlig høy 6 Li tetthet. Et dopingsmiddel tilsettes for å gi krystallet sine skinnende egenskaper, to vanlige dopingsmidler er treverdig cerium og toverdig europium. Europium-dopet LiCaAlF 6 har fordelen i forhold til andre materialer at antallet optiske fotoner produsert per nøytronfangst er rundt 30.000, noe som er 5 ganger høyere enn for eksempel i nøytronsensitive, glitrende glassfibre. Denne egenskapen gjør det lettere å diskriminere nøytronfoton. På grunn av den høye 6 Li tettheten er dette materialet egnet for å produsere lette kompakte nøytrondetektorer, og LiCaAlF 6 har derfor blitt brukt til nøytrondeteksjon i store høyder på ballongoppdrag. Den lange forfallstiden til Eu 2+ dopet LiCaAlF 6 gjør den mindre egnet for målinger i miljøer med høy stråling, Ce 3+ dopet variant har kortere forfallstid, men lider av et lavere lysutbytte.

NaIL Dual Detection Neutron-Gamma Scintillator

Sodium Jodide crystal co-doped with Thallium and Lithium [NaI (Tl + Li)] aka NaIL har evnen til å oppdage gammastråling og termiske nøytroner i en enkelt krystall med eksepsjonell pulsformdiskriminering. Bruken av lave 6 Li konsentrasjoner i NaIL og store tykkelser kan oppnå de samme nøytrondeteksjonsegenskapene som 3He- eller CLYC- eller CLLB-detektorer til en lavere pris. 6 Li (95% beriket) ko-doping introduserer effektiv termisk nøytrondeteksjon til den mest etablerte gammastrålescintillatoren, samtidig som de gunstige scintillasjonsegenskapene til standard NaI (Tl) beholdes. NaIL kan tilby store volumdetektorer for enkeltmaterialer for både gammaer og nøytroner til en lav pris per volum.

Halvlederneutrondetektorer

Det er to grunnleggende typer halvledernøytrondetektorer, den første er elektronenheter belagt med et nøytronreaktivt materiale, og den andre er en halvleder som delvis består av nøytronreaktivt materiale. Den mest vellykkede av disse konfigurasjonene er den belagte enhetstypen, og et eksempel vil være en vanlig plan Si-diode belagt med enten 10 B eller 6 LiF. Denne typen detektor ble først foreslått av Babcock et al. Konseptet er greit. Et nøytron absorberes i den reaktive filmen og avgir spontant energiske reaksjonsprodukter. Et reaksjonsprodukt kan nå halvlederoverflaten og produserer elektronhullpar ved innføring i halvlederen. Under omvendt forspenning drives disse elektronene og hullene gjennom dioden for å produsere en indusert strøm, vanligvis integrert i pulsmodus for å danne en spenningsutgang. Maksimal egeneffektivitet for enkeltbelagte enheter er omtrent 5% for termiske nøytroner (0,0259 eV), og utforming og drift er grundig beskrevet i litteraturen. Begrensningen av nøytrondeteksjonseffektivitet er en konsekvens av reaksjonsproduktets selvabsorpsjon. For eksempel er området i en borfilm på 1,47 MeV α-partikler fra 10 B (n, α) 7 Li-reaksjonen omtrent 4,5 mikron, og området i LiF på 2,7 MeV tritoner fra 10 B (n, α) 7 Li-reaksjonen er omtrent 28 mikron. Reaksjonsprodukter som stammer fra avstander lenger fra grensesnittet mellom film og halvleder kan ikke nå halvlederoverflaten og vil følgelig ikke bidra til nøytrondeteksjon. Enheter belagt med naturlig Gd har også blitt utforsket, hovedsakelig på grunn av det store termiske nøytronmikroskopiske tverrsnittet på 49.000 fjøs. Imidlertid er Gd (n, γ) reaksjonsproduktene av interesse hovedsakelig lavenergikonverteringselektroner, hovedsakelig gruppert rundt 70 keV. Følgelig er diskriminering mellom nøytroninduserte hendelser og gammastrålehendelser (hovedsakelig produserende Compton-spredte elektroner) vanskelig for Gd-belagte halvlederdioder. En kompensert pikseldesign forsøkte å løse problemet. Samlet sett foretrekkes innretninger belagt med enten 10 B eller 6 LiF hovedsakelig fordi de energisk ladede partikkelreaksjonsproduktene er mye lettere å skille mellom bakgrunnsstråling.

Den lave effektiviteten til belagte plane dioder førte til utvikling av mikrostrukturerte halvlederneutrondetektorer (MSND). Disse detektorene har mikroskopiske strukturer etset i et halvledersubstrat, deretter formet til en pin-diode. Mikrostrukturene fylles på nytt med nøytronreaktivt materiale, vanligvis 6 LiF, selv om 10 B har blitt brukt. Det økte halvlederoverflatearealet ved siden av det reaktive materialet og den økte sannsynligheten for at et reaksjonsprodukt vil komme inn i halvlederen, øker den indre nøytrondeteksjonseffektiviteten sterkt.

Grunnleggende design av en mikrostrukturert halvleder nøytrondetektor (MSND).

MSND-enhetskonfigurasjonen ble først foreslått av Muminov og Tsvang, og senere av Schelten et al. Det var år senere da det første arbeidseksemplet på en MSND ble fabrikkert og demonstrert, og hadde da bare 3,3% termisk nøytrondeteksjonseffektivitet. Siden det første arbeidet har MSND oppnådd mer enn 30% termisk nøytron påvisning effektivitet. Selv om MSND-er kan operere på det innebygde potensialet (null påført spenning), fungerer de best når 2-3 volt påføres. Det er flere grupper som nå jobber med MSND-variasjoner. De mest vellykkede typene er sorten som er fylt med 6 LiF-materiale. MSND-er produseres nå og selges kommersielt av Radiation Detection Technologies, Inc. Avanserte eksperimentelle versjoner av dobbeltsidige MSND-er med motstridende mikrostrukturer på begge sider av en halvlederplate er rapportert med over 65% termisk nøytrondeteksjonseffektivitet, og er teoretisk i stand til å over 70% effektivitet.

Halvlederdetektorer der et av de andre bestanddelene er nøytronreaktive kalles bulk halvledernøytrondetektorer. Bulk solid-state-nøytrondetektorer kan deles inn i to grunnleggende kategorier: de som er avhengige av påvisning av reaksjonsprodukter med ladede partikler og de som er avhengige av påvisning av rask fangst av gammastråler. Generelt er denne typen nøytrondetektor vanskelig å lage pålitelig og er for tiden ikke kommersielt tilgjengelig.

Bulkmaterialene som er avhengige av utslipp av ladede partikler er basert på bor og litiumholdige halvledere. I jakten på bulk halvleder nøytrondetektorer har borbaserte materialer, som BP, BA, BN ​​og B 4 C, blitt undersøkt mer enn andre potensielle materialer.

Borbaserte halvledere i kubisk form er vanskelig å dyrke som bulkkrystaller, hovedsakelig fordi de krever høye temperaturer og høyt trykk for syntese. BP og Bas kan brytes ned i uønskede krystallstrukturer (kubisk til ikosahedrisk form) med mindre de syntetiseres under høyt trykk. B 4 C danner også ikosahedriske enheter i en rombohedral krystallstruktur, en uønsket transformasjon fordi den ikosahedriske strukturen har relativt dårlige ladningsoppsamlingsegenskaper som gjør disse ikosahedriske former uegnet for nøytrondeteksjon.

BN kan dannes som enten enkle sekskantede, kubiske (zinkblende) eller wurtzittkrystaller, avhengig av veksttemperaturen, og den dyrkes vanligvis ved tynnfilmmetoder. Det er den enkle sekskantede formen av BN som har blitt mest studert som en nøytrondetektor. Tynn film kjemisk dampavsetningsfremgangsmåter blir vanligvis benyttet for å frem BP, Bas, BN, eller B 4 C. Disse bor-baserte filmer er ofte dyrket på n-type Si substrater, som kan danne en pn-overgang med Si og er derfor produsere en belagt Si-diode som beskrevet i begynnelsen av dette avsnittet. Følgelig kan nøytronresponsen fra enheten lett forveksles som en bulkrespons når det faktisk er en belagt diodesvar. Til dags dato er det få bevis på at borbaserte halvledere produserer indre nøytronsignaler.

Li-holdige halvledere, kategorisert som Nowotny-Juza-forbindelser, er også undersøkt som bulk-nøytrondetektorer. Nowotny-Juza-forbindelsen LiZnAs har blitt demonstrert som en nøytrondetektor; imidlertid er materialet vanskelig og kostbart å syntetisere, og bare små halvlederkrystaller er rapportert. Til slutt er tradisjonelle halvledermaterialer med nøytronreaktive dopemidler undersøkt, nemlig Si (Li) detektorer. Nøytroner samhandler med litiumdopanten i materialet og produserer energiske reaksjonsprodukter. Imidlertid er dopantkonsentrasjonen relativt lav i Li-drevne Si-detektorer (eller andre dopede halvledere), vanligvis mindre enn 10 19 cm -3 . For en degenerert konsentrasjon av Li i størrelsesorden 10 19 cm -3 , ville en 5 cm tykk blokk av naturlig Si (Li) ha mindre enn 1% termisk nøytron påvisningseffektivitet, mens en 5 cm tykk blokk av en Si ( 6 Li) detektor ville bare ha 4,6% termisk nøytron deteksjonseffektivitet.

Rask gammastråleemitterende halvledere, som CdTe og HgI 2, har blitt brukt som nøytrondetektorer. Disse detektorene er avhengige av hurtige gammastråleutslipp fra 113 Cd (n, γ) 114 Cd-reaksjon (produserer 558,6 keV og 651,3 keV gammastråler) og 199 Hg (n, γ) 200 Hg-reaksjon (produserer 368,1 keV og 661,1 keV gammastråler). Imidlertid er disse halvledermaterialene designet for bruk som gammastrålespektrometre og er følgelig iboende følsomme for gammastrålebakgrunnen. Med tilstrekkelig energioppløsning kan diskhøydediskriminering brukes til å skille de hurtige gammastråleutslippene fra nøytroninteraksjoner. Imidlertid er den effektive nøytrondeteksjonseffektiviteten kompromittert på grunn av det relativt lave Compton-forholdet. Med andre ord legger de fleste hendelser til Compton-kontinuumet i stedet for til full energitopp, og dermed blir diskriminering mellom nøytroner og gammastråler i bakgrunnen vanskelig. Både naturlig Cd og Hg har også relativt store termiske nøytron (n, γ) tverrsnitt på henholdsvis 2444 b og 369,8 b. Følgelig absorberes de fleste termiske nøytroner nær detektoroverflaten, slik at nesten halvparten av de hurtige gammastrålene sendes ut i retninger vekk fra detektormassen og dermed produserer dårlig gammastrålereabsorpsjon eller interaksjonseffektivitet.

Neutronaktiveringsdetektorer

Aktiveringsprøver kan plasseres i et nøytronfelt for å karakterisere energispektret og intensiteten til nøytronene. Aktiveringsreaksjoner som har forskjellige energiterskler kan brukes inkludert 56 Fe (n, p)  56 Mn, 27 Al (n, α) 24 Na,  93 Nb (n, 2n)  92m Nb, & 28 Si (n, p) 28 Al.

Raske nøytrondetektorer

Raske nøytroner oppdages ofte ved først å moderere (bremse) dem til termiske energier. Imidlertid er informasjonen om nøytronens opprinnelige energi, kjøreretning og utslippstid tapt under den prosessen. For mange applikasjoner er det svært ønskelig å oppdage "raske" nøytroner som beholder denne informasjonen.

Typiske raske nøytrondetektorer er flytende scintillatorer, 4-He-baserte edelgassdetektorer og plastdetektorer. Raske nøytrondetektorer skiller seg fra hverandre ved hjelp av 1.) evne til nøytron / gammadiskriminering (gjennom pulsformdiskriminering) og 2.) følsomhet. Evnen til å skille mellom nøytroner og gammas er utmerket i edelgassbaserte 4-He-detektorer på grunn av deres lave elektrontetthet og utmerkede diskrimineringsegenskap for pulsform. Faktisk har uorganiske scintillatorer som sinksulfid vist seg å utvise store forskjeller i deres forfallstid for protoner og elektroner; en funksjon som er utnyttet ved å kombinere den uorganiske krystallen med en nøytronomformer (for eksempel polymetylmetakrylat) i Micro-Layered Fast-Neutron Detector. Slike deteksjonssystemer er i stand til selektivt å oppdage bare raske nøytroner i et blandet nøytron-gammastrålingsfelt uten å kreve ytterligere diskrimineringsteknikker slik som pulsformdiskriminering.

Deteksjon av raske nøytroner gir en rekke spesielle problemer. En retningsbestemt hurtignøytrondetektor er utviklet ved bruk av flere protonrekyler i adskilte plan av plastscintillatormateriale. Banene til rekylkjernene som er opprettet ved nøytronkollisjon registreres; bestemmelse av energien og momentumet til to rekylkjerner tillater beregning av kjøreretningen og energien til nøytronet som gjennomgikk elastisk spredning med dem.

applikasjoner

Nøytrondeteksjon brukes til forskjellige formål. Hver applikasjon har forskjellige krav til deteksjonssystemet.

  • Reaktorinstrumentering: Siden reaktorkraften i det vesentlige er lineær proporsjonal med nøytronstrømmen , gir nøytrondetektorer et viktig mål for kraft i kjernekraft og forskningsreaktorer. Kokende vannreaktorer kan ha dusinvis av nøytrondetektorer, en per drivstoffmontering. De fleste nøytrondetektorer som brukes i atomreaktorer med termisk spektrum er optimalisert for å oppdage termiske nøytroner .
  • Plasmafysikk: Nøytrondeteksjon brukes i fusjonsplasmafysikkeksperimenter som JET . For eksempel kan den oppdagede nøytronhastigheten fra et plasma gi informasjon om ionetemperaturen.
  • Partikkelfysikk: Deteksjon av nøytroner er blitt foreslått som en metode for å forbedre nøytrinedetektorer .
  • Materialvitenskap: Elastisk og uelastisk nøytronspredning gjør det mulig for eksperimentalister å karakterisere morfologien til materialer fra skalaer fra ångströms til omtrent ett mikrometer .
  • Strålesikkerhet: Nøytronstråling er en fare forbundet med nøytronkilder , romfart, akseleratorer og atomreaktorer . Nøytrondetektorer som brukes for strålingssikkerhet, må ta hensyn til den relative biologiske effektiviteten (dvs. måten skader forårsaket av nøytroner varierer med energi).
  • Kosmisk stråldeteksjon: Sekundære nøytroner er en komponent i partikkelbyger produsert i jordens atmosfære av kosmiske stråler . Dedikerte bakkenivå nøytrondetektorer, nemlig nøytronmonitorer , brukes til å overvåke variasjoner i kosmisk strålefluks.
  • Spesiell kjernefysisk deteksjon: Spesielle kjernefysiske materialer (SNM) som uran-233 og plutonium-239 forfaller ved spontan fisjon , og gir nøytroner. Nøytrondetektorer kan brukes til monitor for SNM i handel.

Eksperimentell nøytronpåvisning

Eksperimenter som benytter seg av denne vitenskapen inkluderer spredningseksperimenter der nøytroner rettet og deretter spredt fra en prøve skal oppdages. Fasiliteter inkluderer ISIS-nøytronkilde ved Rutherford Appleton Laboratory , Spallation Neutron Source ved Oak Ridge National Laboratory , og Spallation Neutron Source (SINQ) ved Paul Scherrer Institute , hvor nøytronene produseres ved spallasjonsreaksjon, og den tradisjonelle forskningsreaktoranlegg der nøytroner produseres under fisjon av uranisotoper. Bemerkelsesverdig blant de forskjellige nøytrondeteksjonseksperimentene er varemerkeeksperimentet til European Muon Collaboration , først utført på CERN og nå kalt "EMC-eksperimentet". Det samme eksperimentet utføres i dag med mer sofistikert utstyr for å oppnå mer klare resultater knyttet til den opprinnelige EMC-effekten .

Utfordringer i påvisning av nøytron i et eksperimentelt miljø

Nøytrondeteksjon i et eksperimentelt miljø er ikke en enkel vitenskap. De største utfordringene som dagens nøytrondeteksjon står overfor inkluderer bakgrunnsstøy , høy deteksjonshastighet, nøytronneutralitet og lave nøytronenergier.

Bakgrunnsstøy

Hovedkomponentene i bakgrunnsstøy i nøytrondeteksjon er højenergifotoner , som ikke lett elimineres av fysiske barrierer. De andre støykildene, som alfa- og beta-partikler , kan elimineres av forskjellige skjermingsmaterialer, som bly , plast, termokull, etc. Dermed forårsaker fotoner stor forstyrrelse i nøytrondeteksjon, siden det er usikkert om nøytroner eller fotoner blir oppdaget av nøytrondetektoren. Begge registrerer lignende energier etter spredning i detektoren fra målet eller omgivelseslyset, og er dermed vanskelig å skille mellom. Tilfeldighetsdeteksjon kan også brukes til å diskriminere virkelige nøytronhendelser fra fotoner og annen stråling.

Høy oppdagelsesrate

Hvis detektoren ligger i et område med fjernlysaktivitet, blir den kontinuerlig rammet av nøytroner og bakgrunnsstøy i overveldende høye hastigheter. Dette tilslører innsamlede data, siden det er ekstrem overlapping i måling, og separate hendelser ikke lett skiller seg fra hverandre. Dermed ligger en del av utfordringen i å holde deteksjonshastighetene så lave som mulig og i å designe en detektor som kan følge med de høye hastighetene for å gi sammenhengende data.

Nøytral nøytralitet

Nøytroner er nøytrale og reagerer dermed ikke på elektriske felt. Dette gjør det vanskelig å rette kursen mot en detektor for å lette deteksjonen. Nøytroner ioniserer heller ikke atomer bortsett fra ved direkte kollisjon, så gassformede ioniseringsdetektorer er ineffektive.

Varierende oppførsel med energi

Detektorer som er avhengige av nøytronabsorpsjon, er generelt mer følsomme for lavenergi termiske nøytroner , og er størrelsesorden mindre følsomme for høyenergineutroner. Scintillasjonsdetektorer har derimot problemer med å registrere virkningene av nøytroner med lav energi.

Eksperimentelt oppsett og metode

Figur 1: det eksperimentelle oppsettet

Figur 1 viser de typiske hovedkomponentene i oppsettet av en nøytrondeteksjonsenhet. I prinsippet viser diagrammet oppsettet slik det ville være i ethvert moderne partikkelfysikklaboratorium , men detaljene beskriver oppsettet i Jefferson Lab ( Newport News, Virginia ).

I dette oppsettet treffer innkommende partikler, som består av nøytroner og fotoner, nøytrondetektoren; dette er typisk en scintillasjonsdetektor som består av scintillerende materiale , en bølgeleder og et fotomultiplikatorrør (PMT), og vil være koblet til et datainnsamlingssystem (DAQ) for å registrere deteksjonsdetaljer.

Deteksjonssignalet fra nøytrondetektoren er koblet til skaleringsenheten, gated forsinkelsesenhet, utløserenhet og oscilloskopet . Scaler-enheten brukes bare til å telle antall innkommende partikler eller hendelser. Den gjør det ved å øke sin partikeltall hver gang den oppdager en økning i detektorsignalet fra nullpunktet. Det er veldig lite dødtid i denne enheten, noe som betyr at uansett hvor raskt partikler kommer inn, er det svært lite sannsynlig at denne enheten ikke teller en hendelse (f.eks. Innkommende partikkel). Den lave dødtiden skyldes sofistikert elektronikk i denne enheten, som tar liten tid å komme seg fra den relativt enkle oppgaven med å registrere en logisk høyde hver gang en hendelse inntreffer. Utløserenheten koordinerer all elektronikken i systemet og gir en logisk høyde for disse enhetene når hele oppsettet er klart til å registrere en hendelseskjøring.

Oscilloskopet registrerer en strømpuls ved hver hendelse. Pulsen er bare ioniseringsstrømmen i detektoren forårsaket av denne hendelsen plottet mot tid. Den totale energien til den innfallende partikkelen kan bli funnet ved å integrere denne strømpulsen i forhold til tid for å gi den totale ladningen avsatt ved slutten av PMT. Denne integrasjonen utføres i den analoge-digitale omformeren (ADC). Den totale avsatte ladningen er et direkte mål på energien til den ioniserende partikkelen (nøytron eller foton) som kommer inn i nøytrondetektoren. Denne signalintegrasjonsteknikken er en etablert metode for å måle ionisering i detektoren i kjernefysikk. ADC har en høyere dødtid enn oscilloskopet, som har begrenset minne og trenger å overføre hendelser raskt til ADC. Dermed prøver ADC ut omtrent en av 30 hendelser fra oscilloskopet for analyse. Siden den typiske hendelsesfrekvensen er rundt 10 6 nøytroner hvert sekund, vil denne samplingen fortsatt samle tusenvis av hendelser hvert sekund.

Skille nøytroner fra fotoner

ADC sender dataene til en DAQ-enhet som sorterer dataene i presentabel form for analyse. Nøkkelen til videre analyse ligger i forskjellen mellom formen på fotonioniseringsstrømspulsen og nøytronen. Fotonpulsen er lengre i endene (eller "haler") mens nøytronpulsen er godt sentrert. Dette faktum kan brukes til å identifisere innkommende nøytroner og å telle den totale frekvensen av innkommende nøytroner. Trinnene som fører til denne separasjonen (de som vanligvis utføres ved ledende nasjonale laboratorier, Jefferson Lab spesielt blant dem), er gated pulsekstraksjon og plotting-the-difference.

Gated pulsutvinning

Ioniseringsstrømssignaler er alle pulser med en lokal topp i mellom. Ved å bruke en logisk AND-gate i kontinuerlig tid (med en strøm på "1" og "0" pulser som en inngang og strømsignalet som den andre), blir bakdelen av hvert strømpulssignal ekstrahert. Denne gated-diskrimineringsmetoden brukes regelmessig på flytende scintillatorer. Den inngjerdede forsinkelsesenheten er nettopp med dette formål, og lager en forsinket kopi av originalsignalet på en slik måte at haleseksjonen ses ved siden av hoveddelen på oscilloskopskjermen.

Etter å ha ekstrahert halen utføres den vanlige strømintegrasjonen på både haleseksjonen og det komplette signalet. Dette gir to ioniseringsverdier for hver hendelse, som lagres i hendelsestabellen i DAQ-systemet.

Planlegger forskjellen

Figur 2: Forventet plot av halenergi mot energi i den komplette pulsen som er tegnet for alle hendelsesenergier. Prikker representerer antall tettheter av hendelser.

I dette trinnet ligger det avgjørende punktet i analysen: De ekstraherte ioniseringsverdiene er plottet. Spesifikt tegner grafen energideponering i halen mot energideponering i hele signalet for en rekke nøytronenergier. Vanligvis er det for en gitt energi mange hendelser med samme haleenergiverdi. I dette tilfellet blir plottede punkter ganske enkelt gjort tettere med mer overlappende prikker på det todimensjonale plottet, og kan dermed brukes til å øyeeple antall hendelser som tilsvarer hver energideponering. En betydelig tilfeldig brøkdel (1/30) av alle hendelser er tegnet på grafen.

Hvis halestørrelsen som er ekstrahert, er en fast andel av den totale pulsen, vil det være to linjer på plottet, som har forskjellige skråninger. Linjen med større skråning vil tilsvare fotonhendelser og linjen med mindre skråning til nøytronhendelser. Dette er nettopp fordi fotonens energideponeringsstrøm, plottet mot tiden, etterlater en lengre "hale" enn nøytronavleiringsplottet, noe som gir fotonhalen større andel av den totale energien enn nøytronhaler.

Effektiviteten til en hvilken som helst deteksjonsanalyse kan sees på dens evne til å telle og skille antall nøytroner og fotoner som treffer detektoren nøyaktig. Effektiviteten til andre og tredje trinn avslører også om hendelsesfrekvenser i eksperimentet er håndterbare. Hvis klare plott kan oppnås i trinnene ovenfor, noe som muliggjør enkel nøytron-foton-separasjon, kan deteksjonen betegnes som effektiv og hastighetene håndterbare. På den annen side vil flekk og skille mellom datapunkter ikke tillate enkel separasjon av hendelser.

Rate control

Deteksjonsfrekvenser kan holdes lave på mange måter. Sampling av hendelser kan brukes til å velge bare noen få hendelser for analyse. Hvis hastighetene er så høye at en hendelse ikke kan skilles fra en annen, kan fysiske eksperimentelle parametere (skjerming, detektor-målavstand, solid vinkel osv.) Manipuleres for å gi lavest mulige priser og dermed skille hendelser.

Finere gjenkjenningspunkter

Det er viktig her å nøyaktig observere de variablene som betyr noe, siden det kan være falske indikatorer underveis. For eksempel kan ioniseringsstrømmer få periodiske høye spenninger, noe som ikke innebærer høye hastigheter, men bare høye energideponeringer for bortkomne hendelser. Disse stigningene vil bli tabellert og sett med kynisme hvis de ikke er forsvarlige, spesielt siden det er så mye bakgrunnsstøy i oppsettet.

Man kan spørre hvordan eksperimenter kan være sikre på at hver strømpuls i oscilloskopet tilsvarer nøyaktig en hendelse. Dette er sant fordi pulsen varer omtrent 50  ns , noe som gir maksimum 2 × 10 7 arrangementer hvert sekund. Dette tallet er mye høyere enn den faktiske typiske hastigheten, som vanligvis er en størrelsesorden mindre, som nevnt ovenfor. Dette betyr at det er svært lite sannsynlig at det er to partikler som genererer en strømpuls. Strømpulsene varer 50 ns hver, og begynner å registrere neste hendelse etter et gap fra forrige hendelse.

Selv om det noen ganger lettes av høyere innkommende nøytronenergier, er nøytrondeteksjon generelt en vanskelig oppgave, av alle årsakene som er nevnt tidligere. Dermed er bedre scintillator-design også i forgrunnen og har vært temaet for oppfølgingen helt siden oppfinnelsen av scintillasjonsdetektorer. Scintillasjonsdetektorer ble oppfunnet i 1903 av Crookes, men var ikke veldig effektive før PMT (photomultiplier tube) ble utviklet av Curran og Baker i 1944. PMT gir en pålitelig og effektiv deteksjonsmetode siden den multipliserer deteksjonssignalet ti ganger. Allikevel har scintillasjonsdesign rom for forbedring, det samme gjør andre alternativer for nøytrondeteksjon i tillegg til scintillasjon.

Se også

Referanser

Videre lesning