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
1a) aktivni detektory, reakce odražené jádro proton α částice stěpné produkty
terč + neutron →
Detektory používající reakce
(B: 80%
11
𝐵 , 20% 10𝐵 , σ ≈ 1/𝑣 3840 b
E kinetická energie neutronů, malá, lze zanedbat hodta hodnota základní stav excitovaný stav
2
Detektory :
(i) B𝑭𝟑 𝒑𝒓𝒐𝒑𝒐𝒓𝒄𝒊𝒐𝒏á𝒍𝒏í 𝒕𝒓𝒖𝒃𝒊𝒄𝒆 , 𝑝𝑜𝑘𝑢𝑑 𝑑𝑜𝑏ěℎ 𝛼 < 𝑡𝑙𝑢š𝑡𝑘𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑢, 𝑠𝑖𝑔𝑛á𝑙 𝑜𝑑𝑝𝑜𝑣í𝑑á 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑖 𝛼 problémy u stěn B𝐹3 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. 𝐵2 𝑂3 , tenké cca 1-2 mm používané pro měření doby letu
4
Detektory používající reakce
6𝐿𝑖
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 :
3𝐻𝑒
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 U𝑂2 , 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 𝑐𝑚3
z četnosti R ⟹ informace o toku 𝝋 9
Rozpady: N celkový počet vzniklých radioaktivních jader v čase t
R je konstantní λ = 1/τ
v t=0 je N = 0 Veličina A = λN, ozáření po dobu 𝑡0 , pak je vzorek vyjmut:
,saturace při t=∞ R
Měření radioaktivity mezi 𝑡1 𝑎 𝑡2 , 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 𝒌𝟏 , … 𝒌𝒏 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= m𝒗𝟐 /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 naon 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 d𝑤1 /dE
Energetické rozdělení rozptýlených neutronů je konstantní
Energetické rozdělení po druhém rozptylu
18
Pro charakteristiku rozptylu se požívá veličina Lethargie u= ln 𝑬𝟎 − 𝒍𝒏 𝑬 Po jednom rozptylu do úhlu θ θ≡𝜽𝒄𝒎𝒔
průměrné u(θ) Obecný vztah pro energetické rozdělení po n rozptylech na vodíku
19
Průměrná letargie po jednom rozptylu je konstantní!
Zpomalování od 𝐸0 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 106 ) /0.158 ≈ 111 srážek. Pro vodík ξ=1 je počet srážek ≈ 17.5
20
moderátor Rychlý neutron zpomalený a zachycený
Detektor tepelných neutronů B𝑭𝟑 𝒕𝒓𝒖𝒃𝒊𝒄𝒆, 𝑳𝒊𝑰 𝒔𝒄𝒊𝒏𝒕𝒊𝒍á𝒕𝒐𝒓 𝟑𝑯𝒆 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 Výhody: jednoduchost, široký energetický rozsah Nevýhody: Velmi malé energetické rozlišení
Bonnerovy koule v NPL (Anglie) jejich využití ve spektrometrii
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 𝟔𝑳𝒊
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 účinný průřez >> 𝟑𝑯𝒆 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 3𝐻𝑒 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
𝟒𝑯𝒆
33
Neutronový spektrometr založený na odražených protonech
1) Detekce a určení energie Ep odražených protonu.
ψ 2) využití znalosti úhlu odrazu ψ Široká škála využívaných detektorů s obsahem vodíku, scintilátory, proporcionální plynové počítače
terč s velkým obsahem vodíku
detektor protonů
Problémy:
1) Vhodná velikost terče 2) Přesnost určení úhlu
