La detección de neutrones es un proceso que permite disponer de la constatación efectiva de la presencia de neutrones que inciden sobre un sensor adecuadamente colocado. Hay dos aspectos clave para una detección eficaz de neutrones: el hardware y el software. El hardware de detección se refiere al tipo de detector de neutrones utilizado (el más común hoy en día es el detector de centelleo) y a la electrónica utilizada en la configuración de detección. Además, la configuración del hardware también define parámetros experimentales clave, como la distancia fuente-detector, el ángulo sólido y el blindaje del detector. El software de detección consta de herramientas de análisis que realizan distintas tareas, como el análisis gráfico para medir el número y las energías de los neutrones que inciden en el detector.
Física básica
Efectos mediante los que se puede detectar un neutrón Las partículas atómicas y subatómicas se detectan por la firma que producen al interactuar con su entorno. Las interacciones resultan de las características fundamentales de cada tipo de partículas. Carga: los neutrones son partículas neutras y no se ionizan directamente. Por lo tanto, son más difíciles de detectar directamente que las partículas cargadas. Además, sus trayectorias de movimiento solo se ven débilmente afectadas por los campos eléctricos y magnéticos. Masa: la masa del neutrón ()Particle Data Group's Review of Particle Physics 2006 no es detectable directamente, pero influye en las reacciones a través de las cuales se puede detectar. Reacciones: los neutrones reaccionan con una serie de materiales mediante la dispersión elástica produciendo un núcleo en retroceso, y mediante la dispersión inelástica produciendo un núcleo excitado o la absorción con transmutación del núcleo resultante. La mayoría de los enfoques de detección se basan en la detección de los diversos productos de estas reacciones. Momento magnético: aunque los neutrones tienen un momento magnético de μN, las técnicas para la detección del momento magnético no tienen la sensibilidad para usarlas en la detección de neutrones. Momento dipolar eléctrico: se predice que el neutrón tendrá solo un pequeño momento dipolar eléctrico, que aún no ha sido detectado. Por lo tanto, no es una firma de detección viable. Decaimiento: fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen un decaimiento exponencial de (unos 14 minutos, 46 segundos). Los neutrones libres se desintegran mediante la emisión de un electrón y un antineutrino electrónico para convertirse en un protón, un proceso conocido como desintegración beta:Particle Data Group Summary Data Table on Baryons
→ + + . Aunque el y el producidos por la desintegración de neutrones son detectables, la tasa de desintegración es demasiado baja para servir como base para un sistema detector práctico.
Opciones clásicas de detección de neutrones Como resultado de estas propiedades, la detección de neutrones se divide en varias categorías principales: Reacciones de absorción con reacciones rápidas: los neutrones de baja energía generalmente se detectan indirectamente a través de reacciones de absorción. Los materiales absorbentes típicos utilizados tienen una sección eficaz alta para la absorción de neutrones e incluyen helio-3, litio-6, boro-10 y uranio-235. Cada uno de ellos reacciona mediante la emisión de partículas ionizadas de alta energía, cuya huella de ionización puede detectarse por diversos medios. Las reacciones más utilizadas incluyen 3He(n,p) 3H, 6Li(n,t) 4He, 10B(n,α) 7Li y la fisión del uranio. Procesos de activación: los neutrones se pueden detectar reaccionando con absorbentes en una reacción de captura radiactiva, espalación o similar, generando productos de reacción que luego se desintegran en algún momento posterior, liberando partículas beta o rayos gamma. Materiales seleccionados (por ejemplo, indio, oro, rodio, hierro (56Fe(n,p) 56Mn), aluminio (27Al(n,α)24Na), niobio (93Nb(n,2n) 92mNb) y silicio (28Si(n ,p) 28Al)) tienen secciones transversales extremadamente grandes para la captura de neutrones dentro de una banda de energía muy estrecha. El uso de múltiples muestras de absorbentes permite la caracterización del espectro de energía de neutrones. La activación también permite la reconstrucción de una exposición histórica a neutrones (por ejemplo, la reconstrucción forense de exposiciones a neutrones durante un accidente crítico). Reacciones de dispersión elástica (también conocidas como retroceso de protones): los neutrones de alta energía generalmente se detectan indirectamente a través de reacciones de dispersión elástica. Los neutrones chocan con los núcleos de los átomos en el detector, transfiriendo energía a esos núcleos y creando iones detectables. Dado que la máxima transferencia de energía se produce cuando la masa del átomo con el que choca el neutrón es comparable a la masa del neutrón, los materiales hidrógenoMateriales con alto contenido de hidrógeno como agua o plástico. suelen ser el medio preferido para tales detectores.
Tipos de detectores de neutrones
Detectores proporcionales de gas Los contadores proporcionales de gas se puede adaptar para detectar neutrones. Si bien los neutrones normalmente no causan ionización, la adición de un nucleido con sección transversal de neutrones alta permite que el detector responda a los neutrones. Los nucleidos comúnmente utilizados para este fin son helio-3, litio-6, boro-10 y uranio-235. Dado que es más probable que estos materiales reaccionen con neutrones térmicos (es decir, neutrones que se han desacelerado hasta alcanzar el equilibrio con su entorno), normalmente están rodeados por materiales moderadores para reducir su energía y aumentar la probabilidad de detección.
Generalmente son necesarios más refinamientos para diferenciar la señal generada por los neutrones de los efectos de otros tipos de radiación. Dado que la energía de un neutrón térmico es relativamente baja, las reacciones de las partículas cargadas son discretas (es decir, esencialmente monoenergéticas y se encuentran dentro de un estrecho ancho de banda de energía), mientras que otras reacciones, como las generadas por los rayos gamma, abarcarán un amplio rango de energía, lo que hace posible discriminar entre distintas fuentes.
Como clase, los detectores de ionización de gases miden el número (tasa de recuento) y no la energía de los neutrones.
Detectores proporcionales llenos de gas 3He El helio-3 es un material detector de neutrones eficaz porque reacciona absorbiendo neutrones térmicos y produciendo una pareja de iones de 1H y 3H. Su sensibilidad a los rayos gamma es insignificante, lo que proporciona un detector de neutrones muy útil. Lamentablemente, el suministro de 3He se limita a la producción como subproducto de la descomposición del tritio (que tiene una vida media de 12,3 años). El tritio se produce como parte de programas de armas como refuerzo para armas nucleares o como subproducto de la operación de reactores.
Detectores proporcionales llenos de gas BF3 Como el boro elemental no es gaseoso, los detectores de neutrones que contienen boro pueden utilizar alternativamente trifluoruro de boro (BF3) enriquecido al 96 % de boro-10 (el boro natural está compuesto de 20 % 10B, 80 % 11B).Boron Trifluoride (BF3) Neutron Detectors El trifluoruro de boro es altamente tóxico. La sensibilidad de este detector es de alrededor de 35-40 CPS/nv (unidades por segundo por flujo de neutrones), mientras que la del revestimiento de boro es de aproximadamente 4 CPS/nv. Esto se debe a que en el revestimiento de boro, los neutrones reaccionan con el boro y, por lo tanto, se producen pares de iones dentro de la capa. De ahí que las partículas cargadas producidas (alfa y átomos de Li) pierdan parte de su energía dentro de esa capa. Las partículas cargadas de baja energía no pueden alcanzar el entorno gaseoso de la cámara de ionización, y por lo tanto, el número de ionizaciones producidas en el gas también es menor.
En cambio, en una cámara llena de gas BF3, el N reacciona con el B en el gas y las partículas alfa y los átomos de litio, totalmente energéticos, son capaces de producir más ionizaciones y dar más pulsos.
Detectores proporcionales revestidos de boro Alternativamente, los contadores proporcionales llenos de gas revestidos de boro reaccionan de manera similar a los detectores proporcionales llenos de gas BF3, con la excepción de que las paredes están recubiertas con 10B. En este diseño, dado que la reacción tiene lugar en la superficie, solo una de las dos partículas escapará al contador proporcional.
Detectores de neutrones de centelleo
Los detectores de neutrones por centelleo incluyen centelleadores orgánicos líquidos, cristales, plásticos, vidrio, y fibras de centelleo.
Detectores de centelleo de fibra de vidrio sensibles a neutrones
El uso de vidrio centelleante a base de 6Li para la detección de neutrones se informó por primera vez en la literatura científica en 1957, y se realizaron avances clave en las décadas de 1960 y 1970. Atkinson M. et al. demostraron en 1987 que la fibra centelleante y se lograron avances importantes a finales de los años 1980 y principios de los 1990 en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, donde se desarrolló como una tecnología clasificada. (Enlace roto: enero de 2018) La documentación del sistema se desclasificó en 1994 y Oxford Instruments obtuvo su primera licencia en 1997, seguido de una transferencia a Nucsafe en 1999. (Enlace roto: enero de 2018) La fibra y los detectores de fibra ahora son fabricados y vendidos comercialmente por Nucsafe, Inc.Nucsafe Inc. website
Las fibras de vidrio centelleantes funcionan incorporando 6Li y Ce3+ en la composición general del vidrio. El 6Li tiene una sección transversal alta para la absorción de neutrones térmicos a través de la reacción 6Li(n,α). La absorción de neutrones produce un ion tritio, una partícula alfa y energía cinética. La partícula alfa y el ion tritio interactúan con la matriz de vidrio para producir ionización, que transfiere energía a los iones Ce3+ y da como resultado la emisión de fotones con longitudes de onda de 390 nm - 600 nm a medida que los iones Ce3+ en estado excitado regresan al estado fundamental. El evento resulta en un destello de luz de varios miles de fotones por cada neutrón absorbido. Una parte de la luz centelleante se propaga a través de la fibra de vidrio, que actúa como guía de ondas. Los extremos de las fibras están acoplados ópticamente a un par de tubos fotomultiplicadores (PMT) para detectar explosiones de fotones. Los detectores se pueden utilizar para detectar tanto neutrones como rayos gamma, que normalmente se distinguen mediante discriminación de altura de pulso. Se han realizado esfuerzos y avances sustanciales para reducir la sensibilidad del detector de fibra a la radiación gamma. Los detectores originales daban lecturas falsas de neutrones en un campo gamma de 0,02 mR. Las mejoras en el diseño, el proceso y el algoritmo ahora permiten la operación en campos gamma de hasta 20 mR/h (60Co).