Artur Bicki

PW elektronika

przedmiot: Metody i Techniki Jądrowe w środowisku, przemyśle i medycynie;

Detekcja i detektory neutronów

oraz

metody pomiarów ich energii.

1. Neutrony.

Neutrony są cząstkami wchodzącymi w skład jąder atomowych. Są to cząstki elementarne posiadające masę, ale nie posiadające ładunku elektrycznego. Z faktu, że dla neutronów nie istnieje kulombowska bariera potencjałów, wynika trudność w ich detekcji. Swoją energię kinetyczną neutrony przekazują do środowiska za pośrednictwem wtórnych cząstek naładowanych, które powstają w wyniku zdarzeń. Neutrony mogą przenikać przez grube warstwy materii bez żadnego oddziaływania. Reagują one głównie z jądrami atomowymi. Powstające promieniowanie jonizacyjne może być wynikiem takich zjawisk jak:

·reakcje jądrowe,

·rozpraszanie energii,

·wzbudzenie i emisja nowego promieniowania.

W wyniku takich oddziaływań neutron może zostać wychwycony w procesie uwalniającym wtórne promieniowanie jonizujące, lub może ulec rozproszeniu, w wyniku którego w znaczący sposób zmienia się jego energia i kierunek ruchu. W skład powstającego, wtórnego promieniowania wchodzą głównie ciężkie cząstki naładowane. Różnego rodzaju detektory neutronów wykorzystują specyficznie dobrane mechanizmy zamiany energii neutronu na energię powstającej cząstki naładowanej, której rejestracja jest już stosunkowo prosta.

Zauważono, że prawdopodobieństwo zachodzenia danych procesów w oddziaływaniu z neutronami jest funkcją ich energii. Upraszczając można podzielić neutrony na dwie kategorie energetyczne, gdzie granicą podziału jest wartość 0,5 MeV. Wynika ona z gwałtownego spadku absorpcji neutronów w kadmie przy tej wartości.

1.Neutrony powolne to neutrony posiadające energię mniejszą niż 0,5 MeV. W skład tej grupy wchodzą:

a ) neutrony zimne z energią około 0,001eV. Ich temperaturę można określić ze związku E = k t, co daje wartość około 11,6 K

b ) neutrony termiczne, których energia kształtuje się na poziomie 0,025eV a temperatura zbliżona jest do temperatury pokojowej 293 K

2.Neutrony rezonansowe, których energia spełnia związek 1eV < E < 1000eV.

Nazwa tej grupy wynika z faktu, że w tym przedziale energetycznym prawdopodobieństwa zajść niektórych reakcji neutronów gwałtownie się zmieniają, powodując wzbudzenia rezonansowe.

3.Neutrony pośrednich energii 1keV < E < 500keV

4.Neutrony prędkie 0,5MeV < E < 50Mev

5.Neutrony wysokich energii 50 MeV < E [1]

Neutrony powolne oddziaływują głównie w procesach sprężystego rozproszenia oraz rozpoczynają różne reakcje jądrowe. Ich mała energia kinetyczna pozwala w zupełności zaniedbać energie przekazywaną w procesach rozproszeń sprężystych. Dla neutronów o większych energiach prawdopodobieństwo zajścia reakcji jądrowej spada i głównym procesem przekazywania energii do otoczenia staje się rozproszenie. W pojedynczym zderzeniu z jądrem atomu neutron może przekazać znaczną cześć swojej energii. Aby możliwe było przekazanie jak największych porcji energii, atomy absorbentów muszą być jak najlżejsze. W przeciwnym razie neutron odbije się sprężyście od atomu. Najlepszym spowalniaczem ( inaczej moderatorem ) dla neutronów jest wodór, gdyż przy zderzeniach z jego jądrem neutron może utracić nawet całą swoją energię. W wyniku takich zachowań uzyskujemy promieniowanie wtórne w postaci protonu lub całego jądra. Jeżeli energia prędkich neutronów jest dostatecznie duża, to w trakcie zderzenia może wystąpić wzbudzenie do wyższych energetycznie stanów jądrowych. Wzbudzenia takie rozładowują się poprzez emisję promieniowania gamma, które też jest składnikiem wtórnego promieniowania.

2. Metody detekcji Neutronów

Neutrony nie jonizują atomów, dlatego w celu ich detekcji wykorzystać możemy reakcje jądrowe. W ich wyniku neutrony produkują naładowaną cząstkę. Obszar czynny detektora wypełniony jest jedną z trzech substancji: ⁶Li –litem, ³He-helem lub ¹⁰B-borem. Podający neutron wywołuje jedną z reakcji jądrowych:

neutron + ⁶Li ->triton + cząstka alfa

neutron + ³He ->triton + proton
neutron + ¹⁰B ->⁷Li + cząstka alfa [4]

Reakcje te najlepiej zachodzą dla neutronów termicznych z energiami rzędu 0,025eV. Gdy detekcji mają podlegać neutrony wysokoenergetyczne, emitowane np. z plutonu-240 prawdopodobieństwo zajścia jednej z wymienionych reakcji jest niewielkie. Aby je powiększyć w pierwszym kroku detekcji zmniejsza się energię neutronów. W detektorach realizowane jest to poprzez spowalnianie neutronów na lekkich jądrach (np. wodoru).

Detektor takiej konstrukcji nie umożliwia pomiaru energii neutronów, a jedynie zlicza ilość ich wystąpień.

Detektor helowy BBND dla szybkich neutronów

Przykładem rzeczywistego detektora gazowego działającego w oparciu o reakcję jądrową neutronów z helem może być detektor typu BBND (Bonner Ball Neutron Detector). Urządzenie to instalowane jest na promach kosmicznych. Wysokoenergetyczne protony uderzające w pancerz promu wyzwalają szybkie neutrony, które mogą swobodnie wnikać do wnętrza statku, powodując zniszczenia. Prezentowany detektor umożliwia ciągły pomiar ilości neutronów.

Detektor składa się z metalowej puszki wypełnionej helem (³He) pod ciśnieniem 6 atmosfer ( ciśnienie to jest optymalne aby zgromadzić odpowiednią liczbę atomów oraz aby jednocześnie nie spowodować pęknięcia osłony ). Metalowa kapsuła pokryta jest grubą warstwą materiału bogatego w wodór (polietylen). Budowę detektora przedstawia ilustracja:

Rys 1. Detektor szybkich neutronów, typ BBND

Zasada działania opera się na początkowym spowolnieniu wysokoenergetycznych neutronów na lekkich atomach wodoru. Uzyskane w ten sposób neutrony termiczne reagują z helem wewnątrz kuli Bonnera. Powstałe w wyniku tej reakcji proton reaguje ponownie z helem, co prowadzi do uwolnienia elektronu.

p + He3 -> p + e^- + He3⁺

Elektron ten natychmiast zasysane jest przez anodę, o potencjale +1000V. Płynący prąd jest proporcjonalny do częstości uderzeń neutronów w kulę Bonnera. Schemat działania detektora przestawia ilustracja:

Rys 2. Działanie detektora BBND

Rys historyczny:

Opisany detektor był pierwszym urządzeniem jakie dokonało pomiaru promieniowania neutronów wewnątrz statku kosmicznego. Pierwszy raz zamontowano je w wahadłowcu STS-89 lecącym do rosyjskiej stacji kosmicznej MIR.

[3] http://www.nsbri.org/Radiation/BonnerBallWorkings.html

Detektor scyntylacyjny

Detektor scyntylacyjny wykorzystuje fakt, iż pewne materiały pozwalają na detekcję promieniowanie jonizacyjne za pośrednictwem błysków, zwanych scyntylacjami. Początkowo błyski obserwowane były wizualnie, lecz obecnie do ich zliczenia wykorzystuje się układy fotopowielaczy. Do rejestracji neutronów wykorzystuje się detektorów, których materiał scyntylacyjny jest związkiem organicznym takich jak: antracen,naftalen, stilben. Zawierając dużo atomów wodoru, stanowią ośrodek na którym neutrony prędkie przekazują swoją energię protonom. Energia protonów odrzutu zamieniana jest na błysk świetlny. Neutrony termiczne są mierzone z kolei poprzez rejestrację kwantów g lub cząstek a, powstałych w reakcjach ( n, g ) oraz ( n, a ).

W zderzeniach z protonami, neutrony tracą różne części swojej energii, w wyniku czego obserwowane widmo jest płaskie i rozciąga się od zera do wartości odpowiadającej całkowitej absorpcji. Czas narastania sygnału w takim detektorze wynosi ułamek nanosekundy a stała zaniku 2-3 ns. [2]

Detektor helowy sferyczny

Innym przykładem detektora działającego w oparciu o reakcję z helem może być sferyczny detektor neutronów, którego właścicielem jest Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE).

Rys 3. Detektor sferyczny

Skonstruowany jest z ośmiu, niezależnych obszarów aktywnych, z własnymi przetwornikiem neutronu na cząstkę naładowaną. Powielenie jednostki detekującej pozwoliło odpowiednio ukształtować detektor.

[5] http://www.inst.bnl.gov/GasDetectorLab/neutrons/nd120.htm

Detektor borowy

Detektorem wykorzystującym reakcję jądrową ¹⁰B + n ® ⁷Li + a są detektory z komorą wypełnioną fluorkiem boru BF3 pod ciśnieniem 1amt [6]. Gaz ten jest ośrodkiem aktywnym dla neutronów oraz dla powstałych cząstek. Cząstki z reakcji ⁷Li i a mają na tyle dużą energię, że inicjują wtórną jonizację gazu. Dzięki tej drugiej jonizacji możliwa jest detekcja neutronów. Przy zastosowaniu odpowiednich moderatorów urządzenie może służyć do detekcji neutronów o energiach od 0.0025 eV do około 10 MeV. W przedstawionym elemencie do kuli wypełnionej gazem zamontowano uniwersalny licznik .

Rys 4. Detektor z gazem BF3

[6] Radiation Detection in Nuclear Power Plants http://www.nuc.berkeley.edu/dept/Courses/NE-104A/Nuclear_power_apps.pdf

[7] Oferta handlowa http://www.thermo.com/com/cda/product/detail/1,1055,16071,00.html

[8] Zastosoawny licznik http://www.thermo.com/eThermo/CMA/PDFs/Product/productPDF_16481.pdf

[9] The Department of PET and Nuclear Medicine http://www.cs.nsw.gov.au/rpa/pet/RadTraining/NeutronDetectors.htm

Detektor bąbelkowy

Ciekawym urządzeniem jest detektor bąbelkowy. W szklanym naczyniu umieszczone są mikroskopijne krople zawieszone w żelowym płynie. Wnikające neutrony przekazują część swojej energii do płynu powodując jest gwałtowne zagotowanie. Powoduje to zmianę mikroskopijnych kropli w widziane bąbelki. Wchłonięta dawka neutronów jest proporcjonalna do gęstości bąbli. Bąbelki są zawieszone w żelu tak długo, dopóki użytkownik nie wykona procedury resetu. Ten niewielkich rozmiarów detektor głównie wykorzystywany jest w dozymetrii osobistej, ale może być także użyty do śledzenia napromieniowania środowiska.

Rys 5. Próbówki detektorów bąbelkowych, przed i po napromieniowaniu.

[9] The Department of PET and Nuclear Medicine http://www.cs.nsw.gov.au/rpa/pet/RadTraining/NeutronDetectors.htm

Folia gadolinowa

Metoda ta wykorzystuje wewnętrzną konwersję elektronów. Przetwornik ma postać płaskiego ekranu z folii gadolinowaj. Absorbcji neutronu w gadolinie towarzyszy emisja elektronu, który łatwo zarejestrować na przyłożonej do ekranu kliszy fotograficznej. Strumień elektronów w każdym punkcie ekranu jest proporcjonalny do strumienia padających neutronów, dzięki czemu na kliszy może powstawać obraz prześwietlanego obiektu. Metoda stosowana jest w neutronografii. [10]

Rys 6. Obraz zarejestrowany na kliszy fotograficznej przy użyciu detektora z folii gadolinowej[15].

[10] Postępy techniki jądrowej vol.38 z.2 Warszawa 1995

[15] Instytut Energii Atomowe , opis reaktora w Świerku http://www.iea.cyf.gov.pl/

3. Metody pomiarów energii neutronów.

Czas przelotu

Pomiar energii neutronów bez posiadania dodatkowych informacji jest praktycznie niemożliwy. Aby zrealizować ten pomiar stosuje się metodę pomiary czasu przelotu. Schemat doświadczenia przedstawia rysunek poniżej.

Rys 7. Pomiar czasu przelotu.

Neutrony są emitowane w wiadomym momencie, z reakcji jądrowej, która inicjowana jest impulsem bombardowania celu cząstkami naładowanymi. Cząstkami tymi mogą być np. elektrony wystrzeliwane w ciężki element wykonany z uranu. Jest to początek reakcji w wyniku której produkowane są neutrony. Pomiar czasu wyzwalany jest w momencie, gdy naładowane cząstka uderzy w płytę, produkując neutrony o szerokim zakresie energetycznym. Neutrony opuszczają miejsce reakcji we wszystkich możliwych kierunkach i muszą zostać skupione do pojedynczej wiązki. W opisywanym doświadczeniu detektor może być umieszczony w odległości od kilku do kilkuset metrów od źródła. Najszybsze neutrony docierają do detektora w najkrótszym czasie, a ich czas przelotu od źródła do detektora jest zapamiętywany. Podczas opisywanego doświadczenia czasy przelotu odnotowywane były od poziomu [s] do [s]. Jeżeli znamy drogę oraz czas przelotu to wyznaczamy z tego prędkość lotu cząstek. Na tej podstawie wyznaczamy kinetyczną energię neutronów. Po szybkich cząstkach dolatują także te wolniejsze neutrony, których czas również jest rejestrowany. Trzeba być świadomym, że zarejestrowany ten sam czas przelotu nie zawsze świadczy o takiej samej energii cząstki. Wynika to z faktu, że czas generacji i detekcji cząstki jest często różny. Ta niepewność pomiaru ma swoje odbicie w parametrze rozdzielczości całego toru pomiarowego.

Rys 8. Tor pomiarowy czasu przelotu. Widoczne również filtry do pomiaru otoczenia.

Najlepsza rozdzielczość czasową ( rzędu 30 e-12 s ) uzyskano w detektorze Pestowa.

[11] H.R. Schmidt, Pestov spark counters: work principle and applications, Nucl. Phys. B, Proc. Suppl.: 78 (1999) 372 http://www.bo.infn.it/sminiato/sm02/paper/ullaland.pdf

[12] Biblioteka fizyczna FUNDAMENTAL NEUTRONIC PRINCIPLES http://www.cea.fr/gb/publications/Clefs45/clefs45gb/clefs4515a.html

Kalorymetr

W celu pomiaru energii neutronów wykorzystywane są również detektory zwane kalorymetrami. Skonstruowane są w taki sposób, aby zatrzymać w swoim wnętrzu badaną cząsteczkę. Hamująca cząstka traci całą swoją, uwalniając energię pod postacią ciepła. Mała część energii jest dodatkowo detekowana pod postacią światła scyntylacyjnego, światła Czerenkowa oraz zjonizowanego ładunku. [13]

Rys 9. Kalorymetr elektromagnetyczny OPALa [14]

Niektóre detektory tego typu zbudowane są z kolejnych warstw materiału pochłaniającego. Warstwy można dowolnie podmieniać, dostosowując absorpcję urządzenia do badanych cząstek. Przykładem takiego urządzenia może być detektor neutronów użyty w projekcie PAMELA.

Rys 10. Pojedyncza płyta kalorymetru (strona lewa ) oraz zespół płyt w gotowym urządzeniu (strona prawa)

Każda z płyt zawiera na sobie pole 3x3 czujników silikonowych, z czego każdy ma powierzchnię 8x8cm ² . Grubość pojedynczej warstwy silikonowej to 380 um.

[13] Rosyjsko-włoski ekperyment naukowy PAMELA http://pamela.physik.uni-siegen.de/pamela/calo.html

[14] Europejska Organizacja badań jądrowych CERN – strona polska http://www.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/particleDet.html

4. Literatura :

1. Bohdan Dziunikowski “O fizyce i energii jądrowej” Kraków 2001

2. Praca zbiorowa pod redakcją Andrzeja Z. Hrynkiewicza “Człowiek i promieniowanie jonizujące” PWN

3. Bonner Ball Neutron Detector http://www.nsbri.org/Radiation/BonnerBallWorkings.html

4. Materiały do wykładu :Metody fizyki jądrowej w środowisku, przemyśle i medycynie .

http://www.if.pw.edu.pl/%7Epluta/pl/dyd/mfj/wyklad/index.html

5. Detektor sferyczny http://www.inst.bnl.gov/GasDetectorLab/neutrons/nd120.htm

6. Radiation Detection in Nuclear Power Plants http://www.nuc.berkeley.edu/dept/Courses/NE-104A/Nuclear_power_apps.pdf

7. Oferta handlowa http://www.thermo.com/com/cda/product/detail/1,1055,16071,00.html

8. Zastosoawny licznik http://www.thermo.com/eThermo/CMA/PDFs/Product/productPDF_16481.pdf

9. The Department of PET and Nuclear Medicine http://www.cs.nsw.gov.au/rpa/pet/RadTraining/NeutronDetectors.htm

10. Postępy techniki jądrowej vol.38 z.2 Warszawa 1995

11. H.R. Schmidt, Pestov spark counters: work principle and applications, Nucl. Phys. B, Proc. Suppl.: 78 (1999) 372 http://www.bo.infn.it/sminiato/sm02/paper/ullaland.pdf

12. Biblioteka fizyczna FUNDAMENTAL NEUTRONIC PRINCIPLES http://www.cea.fr/gb/publications/Clefs45/clefs45gb/clefs4515a.html

13. Rosyjsko-włoski ekperyment naukowy PAMELA http://pamela.physik.uni-siegen.de/pamela/calo.html

14. Europejska Organizacja badań jądrowych CERN – strona polska http://www.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/particleDet.html

15. Instytut Energii Atomowe , opis reaktora w Świerku http://www.iea.cyf.gov.pl/