Detecção de nêutrons - Neutron detection

Ciência com nêutrons
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Fundações
Dispersão de nêutrons
Outras aplicações
A infraestrutura
Instalações de nêutrons

A detecção de nêutrons é a detecção eficaz de nêutrons entrando em um detector bem posicionado . Existem dois aspectos principais para a detecção eficaz de nêutrons: hardware e software. O hardware de detecção se refere ao tipo de detector de nêutrons usado (o mais comum hoje é o detector de cintilação ) e aos componentes eletrônicos usados ​​na configuração de detecção. Além disso, a configuração do hardware também define os principais parâmetros experimentais, como distância fonte-detector, ângulo sólido e blindagem do detector. O software de detecção consiste em ferramentas de análise que realizam tarefas como análise gráfica para medir o número e as energias dos nêutrons que atingem o detector.

Física básica

Assinaturas pelas quais um nêutron pode ser detectado

Partículas atômicas e subatômicas são detectadas pela assinatura que produzem por meio da interação com seus arredores. As interações resultam das características fundamentais das partículas.

  • Carga: Os nêutrons são partículas neutras e não ionizam diretamente; portanto, são mais difíceis de detectar diretamente do que partículas carregadas. Além disso, seus caminhos de movimento são apenas fracamente afetados por campos elétricos e magnéticos.
  • Massa: A massa de nêutrons de 1.008 664 9156 (6)  u não é diretamente detectável, mas influencia as reações através das quais pode ser detectado.
  • Reações: Os nêutrons reagem com uma série de materiais por meio do espalhamento elástico, produzindo um núcleo recuando, o espalhamento inelástico produzindo um núcleo excitado ou a absorção com transmutação do núcleo resultante. A maioria das abordagens de detecção depende da detecção de vários produtos de reação.
  • Momento magnético: embora os nêutrons tenham um momento magnético de -1,913 0427 (5)   μ N , as técnicas de detecção do momento magnético são muito insensíveis para uso na detecção de nêutrons.
  • Momento de dipolo elétrico: prevê-se que o nêutron tenha apenas um minúsculo momento de dipolo elétrico , que ainda não foi detectado. Portanto, não é uma assinatura de detecção viável.
  • Decaimento: Fora do núcleo, nêutrons livres são instáveis ​​e têm uma vida média de 885,7 ± 0,8 s (cerca de 14 minutos, 46 segundos). Os nêutrons livres decaem pela emissão de um elétron e um antineutrino de elétron para se tornar um próton, um processo conhecido como decaimento beta :

n 0
→
p +
+
e -
+
ν
e .
Apesar de
p +
e
e -
produzidos por decaimento de nêutrons são detectáveis, a taxa de decaimento é muito baixa para servir de base para um sistema detector prático.

Opções clássicas de detecção de nêutrons

Como resultado dessas propriedades, a detecção de nêutrons se enquadra em várias categorias principais:

  • Reações de absorção com reações imediatas - nêutrons de baixa energia são normalmente detectados indiretamente por meio de reações de absorção. Os materiais absorventes típicos usados ​​têm seções transversais altas para absorção de nêutrons e incluem hélio-3 , lítio-6 , boro-10 e urânio-235 . Cada um deles reage pela emissão de partículas ionizadas de alta energia, cuja trilha de ionização pode ser detectada por vários meios. As reações comumente usadas incluem 3 He (n, p) 3 H, 6 Li (n, t) 4 He, 10 B (n, α) 7 Li e a fissão do urânio.
  • Processos de ativação - Os nêutrons podem ser detectados reagindo com absorvedores em uma captura radiativa , fragmentação ou reação semelhante, produzindo produtos de reação que então decaem em algum momento posterior, liberando partículas beta ou gama . Materiais selecionados (por exemplo, índio , ouro , ródio , ferro ( 56 Fe (n, p)  56 Mn), alumínio ( 27 Al (n, α) 24 Na),  nióbio ( 93 Nb (n, 2n)  92m Nb), & silício ( 28 Si (n, p) 28 Al)) têm seções transversais extremamente grandes para a captura de nêutrons dentro de uma faixa muito estreita de energia. O uso de várias amostras de absorção permite a caracterização do espectro de energia de nêutrons. A ativação também permite a recriação de uma exposição histórica de nêutrons (por exemplo, recriação forense de exposições de nêutrons durante uma gravidade acidental ).
  • Reações de espalhamento elástico (também conhecido como recuo de próton) - Nêutrons de alta energia são normalmente detectados indiretamente por meio de reações de espalhamento elástico . Os nêutrons colidem com os núcleos dos átomos do detector, transferindo energia para esses núcleos e criando íons, que são detectados. Uma vez que a transferência máxima de energia ocorre quando a massa do átomo com o qual o nêutron colide é comparável à massa do nêutron, os materiais hidrogenados são freqüentemente o meio preferido para tais detectores.

Tipos de detectores de nêutrons

Detectores proporcionais de gás

Os detectores proporcionais de gás podem ser adaptados para detectar nêutrons. Embora nêutrons não causem ionização , a adição de um nuclídeo com alta seção transversal de nêutrons permite que o detector responda aos nêutrons. Os nuclídeos comumente usados ​​para essa finalidade são hélio-3 , lítio-6 , boro-10 e urânio-235 . Uma vez que esses materiais são mais propensos a reagir com nêutrons térmicos (ou seja, nêutrons que desaceleraram para se equilibrar com seus arredores), eles são tipicamente cercados por materiais moderadores para reduzir sua energia e aumentar a probabilidade de detecção.

Refinamentos adicionais são geralmente necessários para diferenciar o sinal de nêutrons dos efeitos de outros tipos de radiação. Uma vez que a energia de um nêutron térmico é relativamente baixa, as reações de partículas carregadas são discretas (ou seja, essencialmente monoenergéticas e ficam dentro de uma estreita largura de banda de energias), enquanto outras reações, como reações gama, abrangem uma ampla faixa de energia, é possível discriminar entre as fontes.

Como classe, os detectores de ionização de gás medem o número ( taxa de contagem ), e não a energia dos nêutrons.

3 detectores proporcionais preenchidos com gás He

Um isótopo de Hélio, 3 He fornece um material detector de nêutrons eficaz porque o 3 He reage absorvendo nêutrons térmicos, produzindo um íon 1 H e 3 H. Sua sensibilidade aos raios gama é insignificante, fornecendo um detector de nêutrons muito útil. Infelizmente, o suprimento de 3 He é limitado à produção como subproduto da decomposição do trítio (que tem meia-vida de 12,3 anos); o trítio é produzido como parte de programas de armas como reforço para armas nucleares ou como subproduto da operação do reator.

Detectores proporcionais preenchidos com gás BF 3

Como o boro elementar não é gasoso, os detectores de nêutrons contendo boro podem usar alternativamente trifluoreto de boro (BF 3 ) enriquecido com 96% de boro-10 (o boro natural é 20% 10 B, 80% 11 B). O trifluoreto de boro é altamente tóxico. A sensibilidade deste detector é de cerca de 35-40 CPS / nv, enquanto a do boro revestido é de cerca de 4 CPS / nv. Isso ocorre porque no boro alinhado, n reage com o boro e, portanto, produz pares de íons dentro da camada. Conseqüentemente, partículas carregadas produzidas (Alfa e Li) perdem parte de sua energia dentro dessa camada. Partículas carregadas de baixa energia são incapazes de alcançar o ambiente de gás da câmara de ionização. Conseqüentemente, o número de ionizações produzidas no gás também é menor.

Enquanto no BF3 preenchido com gás, o N reage com o B no gás. e Alfa e Li totalmente energéticos são capazes de produzir mais ionizações e dar mais pulsos.

Detectores proporcionais revestidos de boro

Alternativamente, os contadores proporcionais preenchidos com gás revestidos de boro reagem de forma semelhante aos detectores proporcionais preenchidos com gás BF 3 , com a exceção de que as paredes são revestidas com 10 B. Neste projeto, uma vez que a reação ocorre na superfície, apenas um dos duas partículas escaparão para o contador proporcional.

Detectores de nêutrons de cintilação

Os detectores de nêutrons de cintilação incluem cintiladores orgânicos líquidos, cristais, plásticos, vidro e fibras de cintilação.

Detectores de fibra de vidro cintilante sensível a nêutrons

O vidro cintilante de 6 Li para detecção de nêutrons foi relatado pela primeira vez na literatura científica em 1957 e avanços importantes foram feitos nas décadas de 1960 e 1970. A fibra cintilante foi demonstrada por Atkinson M. et al. em 1987 e grandes avanços foram feitos no final dos anos 1980 e no início dos anos 1990 no Pacific Northwest National Laboratory, onde foi desenvolvido como uma tecnologia classificada. Foi desclassificado em 1994 e licenciado pela primeira vez pela Oxford Instruments em 1997, seguido por uma transferência para Nucsafe em 1999. Os detectores de fibra e fibra são agora fabricados e vendidos comercialmente pela Nucsafe, Inc.

As fibras de vidro cintilantes funcionam incorporando 6 Li e Ce 3+ na composição do volume do vidro. O 6 Li tem uma seção transversal alta para absorção de nêutrons térmicos através da reação 6 Li (n, α). A absorção de nêutrons produz um íon trítio, uma partícula alfa e energia cinética. A partícula alfa e o tritão interagem com a matriz de vidro para produzir ionização, que transfere energia aos íons Ce 3+ e resulta na emissão de fótons com comprimento de onda 390 nm - 600 nm conforme os íons do estado excitado Ce 3+ retornam ao estado fundamental. O evento resulta em um flash de luz de vários milhares de fótons para cada nêutron absorvido. Uma parte da luz cintilante se propaga através da fibra de vidro, que atua como um guia de ondas. As extremidades das fibras são opticamente acopladas a um par de tubos fotomultiplicadores (PMTs) para detectar rajadas de fótons. Os detectores podem ser usados ​​para detectar nêutrons e raios gama, que são normalmente diferenciados usando discriminação de altura de pulso. Esforço e progresso substanciais na redução da sensibilidade do detector de fibra à radiação gama foram feitos. Os detectores originais sofriam de falsos nêutrons em um campo gama de 0,02 mR. Melhorias de design, processo e algoritmo agora permitem a operação em campos gama de até 20 mR / h ( 60 Co).

Os detectores de fibra cintilante têm excelente sensibilidade, são robustos e têm temporização rápida (~ 60 ns), de modo que uma grande faixa dinâmica nas taxas de contagem é possível. Os detectores têm a vantagem de poderem ser moldados em qualquer formato desejado e podem ser muito grandes ou muito pequenos para uso em uma variedade de aplicações. Além disso, eles não dependem de 3 He ou de qualquer matéria-prima de disponibilidade limitada, nem contêm materiais tóxicos ou regulamentados. Seu desempenho é igual ou superior ao dos tubos de 3 He para contagem de nêutrons brutos devido à maior densidade de espécies que absorvem nêutrons no vidro sólido em comparação com 3 He gasoso de alta pressão . Mesmo que a seção transversal de nêutrons térmicos de 6 Li seja baixa em comparação com 3 He (940 celeiros vs. 5330 celeiros), a densidade de átomos de 6 Li na fibra é cinquenta vezes maior, resultando em uma vantagem na taxa de densidade de captura efetiva de aproximadamente 10: 1.

LiCaAlF 6

LiCaAlF 6 é um cristal cintilador inorgânico sensível a nêutrons que, assim como os detectores de fibra de vidro cintilante sensível a nêutrons, utiliza a captura de nêutrons por 6 Li. Ao contrário dos detectores cintilantes de fibra de vidro, o 6 Li faz parte da estrutura cristalina do cintilador, o que lhe confere uma densidade naturalmente alta de 6 Li. Um agente dopante é adicionado para fornecer ao cristal suas propriedades cintilantes; dois agentes dopantes comuns são cério trivalente e európio divalente. LiCaAlF 6 dopado com európio tem a vantagem sobre outros materiais de que o número de fótons ópticos produzidos por captura de nêutrons é cerca de 30.000, que é 5 vezes maior do que, por exemplo, em fibras de vidro cintilantes sensíveis a nêutrons. Esta propriedade facilita a discriminação de fótons de nêutrons. Devido à sua alta densidade de 6 Li, este material é adequado para a produção de detectores de nêutrons compactos e leves, como resultado, o LiCaAlF 6 tem sido usado para detecção de nêutrons em grandes altitudes em missões de balão. O longo tempo de decaimento do LiCaAlF 6 dopado com Eu 2+ o torna menos adequado para medições em ambientes de alta radiação, a variante dopada com Ce 3+ tem um tempo de decaimento mais curto, mas sofre de um menor rendimento de luz.

Cintilador Nêutron-Gama de detecção dupla NaIL

Cristal de iodeto de sódio co-dopado com tálio e lítio [NaI (Tl + Li)], também conhecido como NaIL, tem a capacidade de detectar radiação gama e nêutrons térmicos em um único cristal com excepcional discriminação em forma de pulso. O uso de baixas concentrações de 6 Li em NaIL e grandes espessuras podem atingir os mesmos recursos de detecção de nêutrons que os detectores 3He ou CLYC ou CLLB a um custo menor. A co-dopagem de 6 Li (95% enriquecido) introduz a detecção de nêutrons térmicos eficiente para o cintilador de raios gama mais estabelecido, enquanto mantém as propriedades de cintilação favoráveis ​​do NaI padrão (Tl). NaIL pode fornecer grandes volumes, detectores de material único para gamas e nêutrons a um baixo preço por volume.

Detectores de nêutrons semicondutores

Existem dois tipos básicos de detectores de nêutrons semicondutores, o primeiro sendo dispositivos de elétrons revestidos com um material reativo de nêutrons e o segundo sendo um semicondutor sendo parcialmente composto de material reativo de nêutrons. A mais bem-sucedida dessas configurações é o tipo de dispositivo revestido e um exemplo seria um diodo de Si plano comum revestido com 10 B ou 6 LiF. Este tipo de detector foi proposto pela primeira vez por Babcock et al. O conceito é direto. Um nêutron é absorvido no filme reativo e emite espontaneamente produtos de reação energética. Um produto de reação pode atingir a superfície do semicondutor e, ao entrar no semicondutor, produz pares de elétron-buraco. Sob uma tensão de polarização reversa, esses elétrons e buracos são desviados através do diodo para produzir uma corrente induzida, geralmente integrada no modo de pulso para formar uma saída de tensão. A eficiência intrínseca máxima para dispositivos de revestimento único é de aproximadamente 5% para nêutrons térmicos (0,0259 eV), e o projeto e a operação são detalhadamente descritos na literatura. A limitação da eficiência de detecção de nêutrons é uma consequência da autoabsorção do produto de reação. Por exemplo, a faixa em um filme de boro de 1,47 MeV partículas α da reação de 10 B (n, α) 7 Li é de aproximadamente 4,5 mícrons, e a faixa em LiF de 2,7 MeV tritons a partir de 10 B (n, α) 7 A reação de Li é de aproximadamente 28 mícrons. Os produtos de reação originados em distâncias mais distantes da interface filme / semicondutor não podem alcançar a superfície do semicondutor e, conseqüentemente, não contribuirão para a detecção de nêutrons. Dispositivos revestidos com Gd natural também têm sido explorados, principalmente por causa de sua grande seção transversal microscópica de nêutrons térmicos de 49.000 celeiros. No entanto, os produtos da reação Gd (n, γ) de interesse são principalmente elétrons de conversão de baixa energia, principalmente agrupados em torno de 70 keV. Consequentemente, a discriminação entre eventos induzidos por nêutrons e eventos de raios gama (principalmente produzindo elétrons dispersos de Compton) é difícil para diodos semicondutores revestidos com Gd. Um design de pixel compensado procurou remediar o problema. No geral, os dispositivos revestidos com 10 B ou 6 LiF são preferidos principalmente porque os produtos de reação de partículas carregadas energéticas são muito mais fáceis de discriminar das radiações de fundo.

A baixa eficiência dos diodos planos revestidos levou ao desenvolvimento de detectores de nêutrons semicondutores microestruturados (MSND). Esses detectores têm estruturas microscópicas gravadas em um substrato semicondutor, subsequentemente formado em um diodo tipo pino. As microestruturas são preenchidas com material reativo de nêutrons, geralmente 6 LiF, embora 10 B tenha sido usado. O aumento da área de superfície do semicondutor adjacente ao material reativo e o aumento da probabilidade de que um produto de reação entre no semicondutor aumenta muito a eficiência de detecção de nêutrons intrínsecos.

Projeto básico de um detector de nêutrons semicondutores microestruturados (MSND).

A configuração do dispositivo MSND foi proposta pela primeira vez por Muminov e Tsvang e, posteriormente, por Schelten et al. Anos depois, o primeiro exemplo funcional de um MSND foi fabricado e demonstrado, tendo então apenas 3,3% de eficiência de detecção de nêutrons térmicos. Desde esse trabalho inicial, os MSNDs alcançaram mais de 30% de eficiência de detecção de nêutrons térmicos. Embora os MSNDs possam operar no potencial embutido (tensão aplicada zero), eles funcionam melhor quando 2-3 volts são aplicados. Existem vários grupos trabalhando em variações de MSND. Os tipos de maior sucesso são a variedade preenchida com material 6 LiF. Os MSNDs agora são fabricados e vendidos comercialmente pela Radiation Detection Technologies, Inc. Versões experimentais avançadas de MSNDs de dupla face com microestruturas opostas em ambos os lados de uma pastilha semicondutora foram relatadas com mais de 65% de eficiência de detecção de nêutrons térmicos e são teoricamente capazes de mais de 70% de eficiência.

Os detectores de semicondutores nos quais um ou mais átomos constituintes são reativos a nêutrons são chamados de detectores de nêutrons semicondutores em massa. Os detectores de nêutrons de estado sólido em massa podem ser divididos em duas categorias básicas: aqueles que dependem da detecção de produtos de reação de partículas carregadas e aqueles que dependem da detecção de raios gama de captura imediata. Em geral, este tipo de detector de nêutrons é difícil de fazer de forma confiável e atualmente não está disponível comercialmente.

Os materiais a granel que dependem de emissões de partículas carregadas são baseados em semicondutores contendo boro e lítio. Na busca por detectores de nêutrons semicondutores a granel, os materiais à base de boro, como BP, BAs, BN e B 4 C, foram investigados mais do que outros materiais potenciais.

Semicondutores à base de boro na forma cúbica são difíceis de crescer como cristais em massa, principalmente porque requerem altas temperaturas e alta pressão para a síntese. BP e Bas podem se decompor em estruturas cristalinas indesejáveis ​​(forma cúbica para icosaédrica), a menos que sejam sintetizados sob alta pressão. B 4 C também forma unidades icosaédricas em uma estrutura cristalina romboédrica, uma transformação indesejável porque a estrutura icosaédrica tem propriedades de coleta de carga relativamente pobres, o que torna essas formas icosaédricas inadequadas para a detecção de nêutrons.

O BN pode ser formado como cristais hexagonais, cúbicos (zincblende) ou wurtzita simples, dependendo da temperatura de crescimento, e geralmente é cultivado por métodos de película fina. É a forma hexagonal simples de BN mais estudada como detector de nêutrons. Métodos de deposição de vapor químico de filme fino são geralmente empregados para produzir BP, BAs, BN ou B 4 C. Esses filmes à base de boro são frequentemente cultivados em substratos de Si do tipo n, que podem formar uma junção pn com o Si e, portanto, produzir um diodo de Si revestido conforme descrito no início desta seção. Consequentemente, a resposta de nêutrons do dispositivo pode ser facilmente confundida com uma resposta em massa, quando na verdade é uma resposta de diodo revestido. Até o momento, há evidências esparsas de semicondutores à base de boro que produzem sinais de nêutrons intrínsecos.

Semicondutores contendo lítio, categorizados como compostos de Nowotny-Juza, também foram investigados como detectores de nêutrons em massa. O composto LiZnAs de Nowotny-Juza foi demonstrado como um detector de nêutrons; entretanto, o material é difícil e caro de sintetizar, e apenas pequenos cristais semicondutores foram relatados. Finalmente, materiais semicondutores tradicionais com dopantes reativos de nêutrons têm sido investigados, a saber, detectores de Si (Li). Os nêutrons interagem com o dopante de lítio no material e produzem produtos de reação energética. No entanto, a concentração de dopante é relativamente baixa em detectores de Si derivado de Li (ou outros semicondutores dopados), normalmente menos de 10 19 cm -3 . Para uma concentração degenerada de Li da ordem de 10 19 cm -3 , um bloco de 5 cm de espessura de Si natural (Li) teria menos de 1% de eficiência de detecção de nêutrons térmicos, enquanto um bloco de 5 cm de espessura de um Si O detector ( 6 Li) teria apenas 4,6% de eficiência de detecção de nêutrons térmicos.

Semicondutores emissores de raios gama imediatos, como CdTe e HgI 2, têm sido usados ​​com sucesso como detectores de nêutrons. Esses detectores dependem das emissões imediatas de raios gama da reação 113 Cd (n, γ) 114 Cd (produzindo 558,6 keV e 651,3 keV de raios gama) e da reação 199 Hg (n, γ) 200 Hg (produzindo 368,1 keV e 661,1 raios gama keV). No entanto, esses materiais semicondutores são projetados para uso como espectrômetros de raios gama e, portanto, são intrinsecamente sensíveis ao fundo de raios gama. Com resolução de energia adequada, a discriminação da altura do pulso pode ser usada para separar as emissões imediatas de raios gama das interações de nêutrons. No entanto, a eficiência efetiva da detecção de nêutrons é comprometida por causa da proporção Compton relativamente pequena. Em outras palavras, a maioria dos eventos se soma ao continuum de Compton em vez de ao pico de energia total, dificultando assim a discriminação entre nêutrons e raios gama de fundo. Além disso, tanto o Cd quanto o Hg naturais têm seções transversais de nêutrons térmicos (n, γ) relativamente grandes de 2444 be 369,8 b, respectivamente. Consequentemente, a maioria dos nêutrons térmicos são absorvidos perto da superfície do detector, de modo que quase metade dos raios gama imediatos são emitidos em direções distantes do volume do detector e, portanto, produzem reabsorção de raios gama ou eficiência de interação pobres.

Detectores de ativação de nêutrons

As amostras de ativação podem ser colocadas em um campo de nêutrons para caracterizar o espectro de energia e a intensidade dos nêutrons. As reações de ativação que têm diferentes limiares de energia podem ser usadas, incluindo 56 Fe (n, p)  56 Mn, 27 Al (n, α) 24 Na,  93 Nb (n, 2n)  92m Nb e 28 Si (n, p) 28 Al.

Detectores de nêutrons rápidos

Nêutrons rápidos são freqüentemente detectados primeiro moderando-os (desacelerando) para energias térmicas. No entanto, durante esse processo, as informações sobre a energia original do nêutron, sua direção de viagem e o tempo de emissão são perdidas. Para muitas aplicações, a detecção de nêutrons “rápidos” que retêm essas informações é altamente desejável.

Os detectores de nêutrons rápidos típicos são cintiladores líquidos, detectores de gás nobre à base de 4-He e detectores de plástico. Os detectores de nêutrons rápidos se diferenciam uns dos outros por sua 1.) capacidade de discriminação de nêutrons / gama (por meio de discriminação de forma de pulso) e 2.) sensibilidade. A capacidade de distinguir entre nêutrons e gamas é excelente em detectores 4-He baseados em gás nobre devido à sua baixa densidade de elétrons e excelente propriedade de discriminação de forma de pulso. Na verdade, cintiladores inorgânicos, como o sulfeto de zinco, mostraram grandes diferenças em seus tempos de decaimento para prótons e elétrons; um recurso que foi explorado combinando o cristal inorgânico com um conversor de nêutrons (como polimetil metacrilato) no Detector de nêutrons rápidos em micro-camadas. Tais sistemas de detecção são capazes de detectar seletivamente apenas nêutrons rápidos em um campo misto de radiação gama nêutron, sem a necessidade de quaisquer técnicas de discriminação adicionais, como discriminação de forma de pulso.

A detecção de nêutrons rápidos apresenta uma série de problemas especiais. Um detector direcional de nêutrons rápidos foi desenvolvido usando recuo de prótons múltiplos em planos separados de material cintilador de plástico. Os caminhos dos núcleos de recuo criados pela colisão de nêutrons são registrados; a determinação da energia e do momento de dois núcleos de recuo permite o cálculo da direção do percurso e da energia do nêutron que sofreu espalhamento elástico com eles.

Formulários

A detecção de nêutrons é usada para diversos fins. Cada aplicativo possui requisitos diferentes para o sistema de detecção.

  • Instrumentação do reator: Como a potência do reator é essencialmente linearmente proporcional ao fluxo de nêutrons, os detectores de nêutrons fornecem uma medida importante de potência em reatores de energia nuclear e de pesquisa. Os reatores de água fervente podem ter dezenas de detectores de nêutrons, um por conjunto de combustível. A maioria dos detectores de nêutrons usados ​​em reatores nucleares de espectro térmico são otimizados para detectar nêutrons térmicos .
  • Física de plasma: a detecção de nêutrons é usada em experimentos de física de fusão de plasma, como o JET . Por exemplo, a taxa de nêutrons detectada em um plasma pode fornecer informações sobre a temperatura do íon.
  • Física de partículas: A detecção de nêutrons foi proposta como um método para melhorar os detectores de neutrino .
  • Ciência dos materiais: o espalhamento elástico e inelástico de nêutrons permite que os experimentalistas caracterizem a morfologia dos materiais em escalas que variam de ångströms a cerca de um micrômetro .
  • Segurança de radiação: A radiação de nêutrons é um perigo associado a fontes de nêutrons , viagens espaciais, aceleradores e reatores nucleares . Os detectores de nêutrons usados ​​para segurança de radiação devem levar em consideração a eficácia biológica relativa (ou seja, a forma como os danos causados ​​pelos nêutrons variam com a energia).
  • Detecção de raios cósmicos: nêutrons secundários são um componente das chuvas de partículas produzidas na atmosfera da Terra pelos raios cósmicos . Detectores de nêutrons no nível do solo dedicados, ou seja, monitores de nêutrons , são empregados para monitorar variações no fluxo de raios cósmicos.
  • Detecção de material nuclear especial: materiais nucleares especiais (SNM), como urânio-233 e plutônio-239, decaem por fissão espontânea , produzindo nêutrons. Os detectores de nêutrons podem ser usados ​​para monitorar SNM no comércio.

Detecção experimental de nêutrons

Os experimentos que fazem uso dessa ciência incluem experimentos de espalhamento em que nêutrons direcionados e, em seguida, espalhados de uma amostra devem ser detectados. As instalações incluem a fonte de nêutrons ISIS no Rutherford Appleton Laboratory , a Spallation Neutron Source no Oak Ridge National Laboratory e a Spallation Neutron Source (SINQ) no Paul Scherrer Institute , em que os nêutrons são produzidos por reação de espalação e o tradicional instalações de reator de pesquisa em que nêutrons são produzidos durante a fissão de isótopos de urânio. Digno de nota entre os vários experimentos de detecção de nêutrons é o experimento de marca registrada da Colaboração Européia de Muons , realizado pela primeira vez no CERN e agora denominado "experimento EMC". O mesmo experimento é realizado hoje com equipamentos mais sofisticados para obter resultados mais definitivos relacionados ao efeito EMC original .

Desafios na detecção de nêutrons em um ambiente experimental

A detecção de nêutrons em um ambiente experimental não é uma ciência fácil. Os principais desafios enfrentados pela detecção de nêutrons modernos incluem ruído de fundo , altas taxas de detecção, neutralidade de nêutrons e baixas energias de nêutrons.

Barulho de fundo

Os principais componentes do ruído de fundo na detecção de nêutrons são fótons de alta energia , que não são facilmente eliminados por barreiras físicas. As outras fontes de ruído, como partículas alfa e beta , podem ser eliminadas por vários materiais de blindagem, como chumbo , plástico, carvão térmico, etc. Assim, os fótons causam grande interferência na detecção de nêutrons, uma vez que é incerto se nêutrons ou fótons estão sendo detectados pelo detector de nêutrons. Ambos registram energias semelhantes depois de espalhar no detector a partir do alvo ou da luz ambiente e, portanto, são difíceis de distinguir. A detecção de coincidência também pode ser usada para discriminar eventos reais de nêutrons de fótons e outras radiações.

Altas taxas de detecção

Se o detector estiver em uma região de alta atividade de feixe, ele será continuamente atingido por nêutrons e ruído de fundo em taxas extremamente altas. Isso ofusca os dados coletados, uma vez que há sobreposição extrema na medição e eventos separados não são facilmente distinguidos uns dos outros. Portanto, parte do desafio está em manter as taxas de detecção o mais baixas possível e em projetar um detector que possa acompanhar as altas taxas para produzir dados coerentes.

Neutralidade de nêutrons

Os nêutrons são neutros e, portanto, não respondem a campos elétricos. Isso torna difícil direcionar seu curso para um detector para facilitar a detecção. Os nêutrons também não ionizam os átomos, exceto por colisão direta, então os detectores de ionização gasosa são ineficazes.

Comportamento variável com energia

Os detectores que dependem da absorção de nêutrons são geralmente mais sensíveis a nêutrons térmicos de baixa energia e ordens de magnitude menos sensíveis a nêutrons de alta energia. Os detectores de cintilação , por outro lado, têm problemas para registrar os impactos dos nêutrons de baixa energia.

Configuração experimental e método

Figura 1: a configuração experimental

A Figura 1 mostra os componentes principais típicos da configuração de uma unidade de detecção de nêutrons. Em princípio, o diagrama mostra a configuração como seria em qualquer laboratório de física de partículas moderno , mas as especificações descrevem a configuração no Jefferson Lab ( Newport News, Virginia ).

Nesta configuração, as partículas que chegam, compreendendo nêutrons e fótons, atingem o detector de nêutrons; este é tipicamente um detector de cintilação que consiste em material cintilante , um guia de onda e um tubo fotomultiplicador (PMT), e será conectado a um sistema de aquisição de dados (DAQ) para registrar os detalhes de detecção.

O sinal de detecção do detector de nêutrons é conectado à unidade de escalonamento, unidade de atraso de disparo, unidade de disparo e osciloscópio . A unidade de escalonamento é usada apenas para contar o número de partículas ou eventos que chegam. Ele faz isso incrementando sua contagem de partículas toda vez que detecta um surto no sinal do detector do ponto zero. Há muito pouco tempo morto nesta unidade, o que significa que não importa o quão rápido as partículas estejam entrando, é muito improvável que esta unidade falhe ao contar um evento (por exemplo, partícula entrante). O baixo tempo morto é devido à eletrônica sofisticada desta unidade, que leva pouco tempo para se recuperar da tarefa relativamente fácil de registrar uma alta lógica toda vez que um evento ocorre. A unidade de gatilho coordena toda a eletrônica do sistema e dá uma alta lógica a essas unidades quando toda a configuração está pronta para registrar uma corrida de evento.

O osciloscópio registra um pulso atual com cada evento. O pulso é meramente a corrente de ionização no detector causada por este evento plotado contra o tempo. A energia total da partícula incidente pode ser encontrada integrando este pulso de corrente em relação ao tempo para produzir a carga total depositada no final do PMT. Esta integração é realizada no conversor analógico-digital (ADC). A carga total depositada é uma medida direta da energia da partícula ionizante (nêutron ou fóton) que entra no detector de nêutrons. Esta técnica de integração de sinal é um método estabelecido para medir a ionização no detector em física nuclear. O ADC tem um tempo morto maior do que o osciloscópio, que tem memória limitada e precisa transferir eventos rapidamente para o ADC. Portanto, o ADC coleta amostras de aproximadamente um em cada 30 eventos do osciloscópio para análise. Como a taxa de eventos típica é de cerca de 10 6 nêutrons a cada segundo, essa amostragem ainda acumulará milhares de eventos a cada segundo.

Separando nêutrons de fótons

O ADC envia seus dados para uma unidade DAQ que classifica os dados em uma forma apresentável para análise. A chave para uma análise mais aprofundada está na diferença entre a forma do pulso da corrente de ionização do fóton e a do nêutron. O pulso de fóton é mais longo nas extremidades (ou "caudas"), enquanto o pulso de nêutron é bem centrado. Este fato pode ser usado para identificar nêutrons que chegam e contar a taxa total de nêutrons que chegam. As etapas que levam a essa separação (aquelas que geralmente são realizadas nos principais laboratórios nacionais, o Jefferson Lab especificamente entre eles) são a extração de pulso bloqueada e o mapeamento da diferença.

Extração de pulso fechado

Os sinais de corrente de ionização são todos pulsos com um pico local entre eles. Usando uma porta lógica AND em tempo contínuo (tendo um fluxo de pulsos "1" e "0" como uma entrada e o sinal atual como a outra), a porção final de cada sinal de pulso atual é extraída. Este método de discriminação controlada é usado regularmente em cintiladores líquidos. A unidade de atraso com gate é precisamente para esse fim, e faz uma cópia atrasada do sinal original de forma que sua seção final seja vista ao lado de sua seção principal na tela do osciloscópio.

Depois de extrair a cauda, ​​a integração usual da corrente é realizada na seção da cauda e no sinal completo. Isso produz dois valores de ionização para cada evento, que são armazenados na tabela de eventos do sistema DAQ.

Traçando a diferença

Figura 2: Gráfico esperado da energia da cauda contra a energia no pulso completo traçado para todas as energias do evento. Os pontos representam densidades numéricas de eventos.

Nesta etapa está o ponto crucial da análise: os valores de ionização extraídos são plotados. Especificamente, o gráfico traça a deposição de energia na cauda contra a deposição de energia em todo o sinal para uma gama de energias de nêutrons. Normalmente, para uma determinada energia, existem muitos eventos com o mesmo valor de energia residual. Nesse caso, os pontos traçados são simplesmente tornados mais densos com mais pontos sobrepostos no gráfico bidimensional e, portanto, podem ser usados ​​para observar o número de eventos correspondentes a cada deposição de energia. Uma fração aleatória considerável (1/30) de todos os eventos é plotada no gráfico.

Se o tamanho da cauda extraída for uma proporção fixa do pulso total, haverá duas linhas no gráfico, com declives diferentes. A linha com a maior inclinação corresponderá aos eventos de fótons e a linha com a menor inclinação aos eventos de nêutrons. Isso ocorre precisamente porque a corrente de deposição de energia do fóton, traçada contra o tempo, deixa uma "cauda" mais longa do que a trama de deposição de nêutrons, dando à cauda do fóton mais proporção da energia total do que as caudas dos nêutrons.

A eficácia de qualquer análise de detecção pode ser vista por sua capacidade de contar e separar com precisão o número de nêutrons e fótons que atingem o detector. Além disso, a eficácia da segunda e terceira etapas revela se as taxas de eventos no experimento são gerenciáveis. Se gráficos claros podem ser obtidos nas etapas acima, permitindo uma fácil separação nêutron-fóton, a detecção pode ser considerada eficaz e as taxas gerenciáveis. Por outro lado, manchas e indistinguibilidade dos pontos de dados não permitirão a fácil separação dos eventos.

Controle de taxa

As taxas de detecção podem ser mantidas baixas de várias maneiras. A amostragem de eventos pode ser usada para escolher apenas alguns eventos para análise. Se as taxas são tão altas que um evento não pode ser distinguido de outro, parâmetros experimentais físicos (blindagem, distância detector-alvo, ângulo sólido, etc.) podem ser manipulados para fornecer as taxas mais baixas possíveis e, portanto, eventos distinguíveis.

Pontos de detecção mais finos

É importante observar aqui precisamente as variáveis ​​que importam, uma vez que podem haver indicadores falsos ao longo do caminho. Por exemplo, as correntes de ionização podem obter altos surtos periódicos, o que não implica altas taxas, mas apenas altas deposições de energia para eventos perdidos. Essas ondas serão tabuladas e vistas com cinismo, embora injustificáveis, especialmente porque há muito ruído de fundo na configuração.

Alguém pode perguntar como os experimentadores podem ter certeza de que cada pulso atual no osciloscópio corresponde a exatamente um evento. Isso é verdade porque o pulso dura cerca de 50  ns , permitindo um máximo de 2 × 10 7 eventos a cada segundo. Esse número é muito maior do que a taxa típica real, que geralmente é uma ordem de magnitude menor, conforme mencionado acima. Isso significa que é altamente improvável que haja duas partículas gerando um pulso de corrente. Os pulsos atuais duram 50 ns cada e começam a registrar o próximo evento após um intervalo do evento anterior.

Embora às vezes facilitada por energias de nêutrons de entrada mais altas, a detecção de nêutrons é geralmente uma tarefa difícil, por todas as razões declaradas anteriormente. Assim, um design melhor de cintilador também está em primeiro plano e tem sido o tema da busca desde a invenção dos detectores de cintilação. Os detectores de cintilação foram inventados em 1903 por Crookes, mas não eram muito eficientes até que o PMT (tubo fotomultiplicador) foi desenvolvido por Curran e Baker em 1944. O PMT fornece um método confiável e eficiente de detecção, pois multiplica o sinal de detecção dez vezes. Mesmo assim, o projeto de cintilação tem espaço para melhorias, assim como outras opções para detecção de nêutrons além da cintilação.

Veja também

Referências

Leitura adicional