Detekce a spektrometrie neutronů 1. Pomalé neutrony a) aktivní detektory, b) pasivní detektory, c) mechanické monochromátory 2. Rychlé neutrony a) detektory používající zpomalování neutronů b) přímá detekce reakcí rychlých neutronů c) detektory používající rozptyl neutronů 3. Relativistické neutrony kalorimetry 1
1. pomalé neutrony a) aktivni detektory, reakce terč + neutron odražené jádro proton α částice stěpné produkty Detektory používající reakce E kinetická energie neutronů, malá, lze zanedbat hodnota hodta (B: 80% 11 10 B, 20% B, σ 1/v 3840 b základní stav excitovaný stav 2
Detektory : (i) BF 3 proporcionální trubice, pokud doběh α < tluštka detektoru, signál odpovídá energii α problémy u stěn BF 3 terč pro neutrony a současně proporcionální plyn Doběh α v tomto plynu 1 cm průměr anody 0.1 mm napětí 2000 3000 V Detekční účinnost rpo neutrony dopadající ve směru osy detektoru neutronový absorpční účinný průřez při energii E délka detektoru 3
Energetické spektrum α částic (ii) Scintilátory dopované borem. např. B 2 O 3, tenké cca 1-2 mm používané pro měření doby letu 4
Detektory používající reakce 6 Li pouze 7.4% v Li Q= 4.78 MeV Tricium i α částice vždy v základním stavu, součet jejich energíí= signálnímu píku Detekce: scintilátory nebo polovodiče Např. lithium iodide LiI (Eu), Eu jako aktivátor, podobně jako Tl v NaI(Tl) krystal o tlouštce 10 mm je téměř 100 % účinný pro energie neutronů až po 0.5 ev. 5
Detektory používající reakce Q=0.764 MeV σ = 5330 b detektor : 3 He proporcionální trubice Detektory používající štěpení, Uran či plutonium, Q 200 MeV Produkty štěpení jsou téměř vždy α radioaktivní Signál od α částic od štěpných produktů dobrá separace signálů detektor: ionizační komora, jejíž stěny jsou pokryty štěpným materiálem 6
Energie štěpných produktů z UO 2, deponovaného na stěně 7
Fission cross section vs neutron energy 8
1b) pasivní detektory, resp. aktivační fólie Tj. detekce neutronů z radioaktivity produkovaných jader, terč je ozářen neutrony po určitou dobu, pak je terč vyjmut a měří se radioaktivita vzniklých jader Měřená radioaktivita měření toku a energie neutronů Tlouštka terčů malá, aby se neměnil tok neutronů tenké fólie z terčového materiálu Aktivace a rozpady Aktivace: R četnost neutronových interakcí, chceme určit tok neutronů φ, tok neutronů zprůměrovaný přes plochu fólie, tok konstantní aktivační účinný průřez zprůměrovaný přes neutronové energetické spektrum n, počet jader v 1 cm 3 z četnosti R informace o toku φ 9
Rozpady: N celkový počet vzniklých radioaktivních jader v čase t v t=0 je N = 0 R je konstantní λ = 1/τ Veličina A = λn, ozáření po dobu t 0, pak je vzorek vyjmut:,saturace při t= R Měření radioaktivity mezi t 1 a t 2, četnost rozpadů C ε účinnost registrace, B četnost pozadí R neutronový tok 10
11
Výběr aktivačního materiálu podle účinného průřezu a energie neutronů 12
Radioaktivita: β či γ, např. γ rozpad Jiné materiály, např. Mn, Ag, Cu.Co, kovové fólie, nebo dráty tepelné neutrony σ 1/v, ale rezonance při vyšších energiích> 1 ev ale pozorované aktivity obvykle směs tepelných neutronů a energičtějších neutronů Separace: kadmium diferenciální metoda, σ(n +Cd) velký pro E<0.4 ev, pak prudký pokles tloušťka 0.5 mm působí jako selektivní filtr, tj blokuje termální neutrony ale propouští neutrony s E > 0.4 ev 13
1c) Mechanické monochromátory (mechanické selectory) Princip: metoda doby letu slit Neutronový detektor - několik kol k 1, k n s Cd, stejná vzdálenost l, namontované na společnou osu - - v každém kole prázdná štěrbina, štěrbiny jsou pravidelně posunuty o úhel φ - rotace s úhlovou frekvencí ω - posun o φ v čase t= φ/ω - v čase t neutron urazí dráhu l s rychlostí v= l/t - v detektoru mají neutrony stejnou energii E= mv 2 /2, 14
2. Rychlé neutrony a) Detekce s použitím zpomalování neutronů b) Přímá detekce reakcí rychlých neutronů c) Detekce s použitím rozptylu neutronů 15
2a) Detekce s použitím zpomalování neutronů Zpomalování rychlých neutronů na energii pomalých neutronů v tzv. moderátorech a pak se použijí metody pro detekce pomalých resp. tepelných neutronů Použitelné pouze pro detekci, nikoliv pro měření energie Elastický rozptyl je základní mechanismus zpomalování neutronů, nerelativistická kinematika CM systém těžišťový systém V rychlost těžiště Položíme m = 1 M ~ ma = A Těžišťový systém (CM) 16
Kinetická energie E kinetická energie rozptýleného neutronu Scattering rozptyl na on protonu protons, A=1 Energie odraženého jádra Zpomalování je nejúčinnější na lehkých jádrech Nerelativistická aproximace kinetické energie odraženého jádra z kapitoly energetické ztráty (m hmotnost jádra, M primární částice 17
Energetické rozdělení rozptýlených neutronů předpoklad: izotropické rozdělení v těžišti ( platné pro E< 15 MeV) pravděpodobnost dw rozptylu do prostorového úhlu dω v těžišti CM Po prvém rozptylu dw 1 /de Energetické rozdělení rozptýlených neutronů je konstantní Energetické rozdělení po druhém rozptylu 18
Pro charakteristiku rozptylu se požívá veličina Lethargie u= ln E 0 ln E Po jednom rozptylu do úhlu θ θ θ cms průměrné u(θ) Obecný vztah pro energetické rozdělení po n rozptylech na vodíku 19
Průměrná letargie po jednom rozptylu je konstantní! Zpomalování od E 0 do E kolik srážek? Moderátor uhlík: ξ = 0.158, tj. neutron s energií 1 MeV zpomalený na tepelnou energii 1/40 ev potřebuje ln (40 x 10 6 ) /0.158 111 srážek. Pro vodík ξ=1 je počet srážek 17.5 20
Rychlý neutron zpomalený a zachycený moderátor Detektor tepelných neutronů BF 3 trubice, LiI scintilátor 3 He tubes Rychlý neutron částečně zachycený a uniklý z moderátoru bez detekce Detektor tepelných neutronů Neutron zachycený moderátorem 21
Detektory rychlých neutronů Využití moderace na pomalé neutrony Plastické a kapalné scintilátory zároveň detekce i moderace Bonnerovy koule: organický moderátor okolo neutronového detektoru tepelných neutronů Spektrometrie: různý průměr moderace neutronů s různou maximální energií rekonstrukce spektra z naměřených četností z různě velikých koulí Simulace odezvy pomocí Monte Carlo programů Bonnerovy koule v NPL (Anglie) jejich využití ve spektrometrii Výhody: jednoduchost, široký energetický rozsah Nevýhody: Velmi malé energetické rozlišení
2b) Přímá detekce neelastických reakcí rychlých neutronů Zpomalování -eliminuje informace o energii rychlých neutronů - process je pomalý, není rychlá odezva detektoru Bez zpomalení výhody: přímá detekce sekundárních produktů reakcí přímé měření energií produktů součet energií = počáteční energi neutronu rychlé signály nevýhody: účinný průřez je řádově menší než pro tepelné neutrony Dvě používané reakce v detektorech Jiné detektory: na principu aktivace 23
Reakce s 6 Li Detekce : součet energií = pík vhodné pro střední energie, při větší energii konkurenční reakce pro E> 2.5 MeV, detekce: spojité rozdělení deponované energie Detector: lithiový sandvičový spektrometr Tenká vrstva fluoridu lithia umístěná mezi dvěma polovodičovými detektory. Při nízké energii oba produkty reakce letí proti sobě koincidence obou detektorů 24
Coincidence exists No coincidence 25
3 He np reakce Konkurenční reakce: jednoduchý elastický rozptyl na jádře hélia 3 účinný průřez >> He np reakce (n.d) reakce pro E >4.3. MeV 26
Fast neutrons which lost energies in the external materials Elastic scattering (n.p) reaction 27
Detectory: 3 He proporcionální počítače ionozační komory 3 He scintilátory 3 He sandvičové detektory 28
Aktivační počítače pro rychlé neutrony a) Aktivační materiály pro pomalé neutrony (Ag, Rh) uvnitř moderátoru Polzethzlenový moderátor 29
b) Použití prahových aktivačních materiálů a přímá detekce rychlých neutronů bez zpomalení Např. NaI scintilátor, který dodává jádra Na a detekuje současně β a γ z jádra F 30
3c) Detektory s použitím elastického rozptylu Energie rozptýleného jádra E neutron jádro Φ (E) neutronový tok, E primární energie neutronů Měří se energetické spektrum For fixní primární energii E je spojitá: Počítačový program pro řešení rovnice vzhledem k Φ (E) 31
32
4 He 33
Neutronový spektrometr založený na odražených protonech 1) Detekce a určení energie E p odražených protonu. 2) využití znalosti úhlu odrazu ψ Široká škála využívaných detektorů s obsahem vodíku, scintilátory, proporcionální plynové počítače Problémy: 1) Vhodná velikost terče 2) Přesnost určení úhlu terč s velkým obsahem vodíku ψ detektor protonů