Detektory a spektrometry neutronů

1) Komplikované reakce → silná závislost účinnosti na energii

2) Malá účinnost → nutnost velkých objemů

3) Ztrácí jen část energie → komplikované určování energie → časté využití TOF

1) Úvod a základní principy

2) Detektory pomalých neutronů (tepelných, epitermálních, rezonančních)

3) Detektory rychlých neutronů

4) Detektory relativistických a ultrarelativistických neutronů

Detekce neutronů – pomocí jaderných reakcí kde se energie předává nabitým částicím nebo takové částice vznikají

Následek:

Medipix-2

Bonnerovy koule v NPL (Anglie

Využití neutronografie

Detektory složené: 1) Konvertor – vznik nabitých částic 2) Detektor nabitých částic

Využívané reakce: neutron + jádro → odražené jádro proton deuteron triton alfa částice štěpné produkty

Velmi silná závislost účinného průřezu na energii

Požadavky na materiál konvertoru a detektoru: 1) Velký účinný průřez využívané reakce 2) Vysoká uvolněná energie (pro detekci nízkoenergetických neutronů) nebo vysoká konverze kinetické energie 3) Možnost rozlišení fotonů a neutronů 4) Co nejnižší cena na produkci materiálu

A) Neutronové čítače – proporcionální čítač, konvertor přímo pracovní plyn nebo příměs, případně obsažen ve stěnách

B) Scintilátory – organické (odražené protony a uhlík), dopované konvertorem kapalné (NE213) nebo plastikové (NE102A)

Komplikované strukturykonvertoru a detektoruUTEF ČVUT

Detektory pomalých neutronů

1) Detektory na základě reakcí s bórem:

Vysoké obohacení o izotop 10B

BF3 souží jako neutronový konvertor i jako plynná náplň proporciálního čitače

A) BF3 proporciální komora

B) Bor na stěnách a alternativní plynová náplň

C) Scintilátory s obsahem bóru

Nízká efektivita na záření gama

Výběr materiálu s velkým účinným průřezem pro tepelné rezonanční neutrony

Důležitá nízká efektivita na záření gamaExoergické reakce → energie uvolněná v detektoru je dána energií reakce

Energie určena například z doby letu

Využití možnosti rozlišení neutronů a fotonů pomocí tvaru pulsu

2) Detektory založené na reakcích 6Li

3) Detektory založené na reakcích 3He – proporciální čítače – konvertor zároveň náplň4) Detektory založené na štěpení

Krystalové difrakční spektrometry a interferometry

Mechanické monochromátory

rotující absorpční disky – vhodně uspořádané otvory

Využití difrakce:1) Určení energie neutronů

2) Určení struktury krystalů

Využití ohybu krystalu pro změnu měřené energie

neutronový difraktometr ÚJF AVČR

velmi přesné měření energie nízkoenergetických neutronů

Monochromátory využívající odrazu

Detektory rychlých neutronů

Využití moderace na pomalé neutrony

Plastické a kapalné scintilátory – zároveň detekce i moderace

Bonnerovy koule:

Bonnerovy koule v NPL (Anglie)jejich využití ve spektrometrii

organický moderátor okolo neutronového detektoru tepelných neutronů

různý průměr – moderace neutronů s různou maximální energií

Spektrometrie:

rekonstrukce spektra z naměřených četnostíz různě velikých koulí

Výhody: jednoduchost, široký energetický rozsah

Nevýhody: Velmi malé energetické rozlišení

Simulace odezvy pomocí Monte Carlo programů

Detektory a spektrometry založené na pružném rozptylu neutronů

Scintilační (např. NE213):

Odezva L: 23EkL

21

2

3Ek

dE

dL

konstdE

dN

3

21Lk

E

odtud dostaneme:

Závislost odezvy na energii

Energie vyjádřena z odezvy:

Je-li: potom:

(pro rozptyl neutronů s E < 10 MeV) na protonech

3

1

2

1

2

3Ltkons

kE

konst

dE

dLdE

dN

dL

dN

Energetické rozdělení odražených jader (protonů)

Rozdělení odezvy v detektoru

Závislost změny odezvy s energií na energii

Další faktory: 1) vliv okraje 2) mnohonásobný rozptyl 3) rozptyl na uhlíku 4) rozlišení detektoru 5) konkurenční reakce při větších En

1) Detekce a určení energie Ep odražených protonu.

2) využití znalosti úhlu odrazu ψ

ψ

terč s velkým obsahem vodíku

detektor protonů

Neutronový spektrometr založený na odražených protonech

Široká škála využívaných detektorů

Problémy: 1) Vhodná velikost terče2) Přesnost určení úhlu

TOF spektrometry

Nejpřesnější určování energie neutronů

1

1

1EE

20KIN tc

L

c

vβ

2

t

2

L0KIN2

2

E t

σ

L

σ)E(E

β1

βσ

KIN

Odezva detektoru BaF2 na relativistické neutrony

Závislost účinnosti BaF2 na energii neutronu pro různé prahy

TOF spektrum neutronů ze srážky Bi + Pb (E = 1 GeV/A)

Použití anorganických scintilátorů při detekci relativistických neutronů:

srovnání elmg a hadronové spršky

Problém interakčního místa a tloušťky detektoru

d = 4,3 m Δd = 0,25 m, Δt = 350 ps E[GeV] ΔE/E0,1 0,021.5 0.15

THRLEeEE )(0 )()(

Aktivační detektory neutronů

Sendviče fólií z různých materiálů (většinou monoizotopických)

Využití různých prahových reakcí → určení spektra neutronů

Indukované štěpení & emulze

Měření rezonančních neutronů pro různé (n,γ) reakce(pozor na vliv pohlcení neutronů ve folii)

Problém s rekonstrukcí spektra → možnost přímo srovnávat počty aktivovaných jader

Výhody: jednoduchost, malý detektor lze vložit všude

Nevýhody: složitější interpretace

kombinace 235U, 238U, 208Pb

Počítání počtu ionizačních stop štěpných fragmentů