Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов

Все существующие нейтронные детекторы можно разделить на несколько групп по форме зависимости их спектральных чувствительностей от энергии нейтронов [43, 44]:

1 - детекторы с линейно падающей зависимостью;

2 - детекторы с постоянной спектральной характеристикой в определенной области энергий;

3 - резонансные детекторы;

4 - пороговые детекторы.

Вероятность взаимодействия нейтрона с атомным ядром характеризуется эф­фективным сечением реакции. Оно обозначается буквой σ и имеет размерность площади. Единицей сечения ядерных реакций является барн; 1 барн = 1·10^-28м².

К детекторам с линейно-падающей зависимостью от энергии нейтронов, прежде всего, относятся детекторы на основе ядер лёгких элементов с беспорого- вой реакцией с нейтронами: гелия-3, лития-6 и бора-10 (рисунок 1.1):

В результате взаимодействий с нейтронами из ядер этих изотопов вылетают заряженные частицы, которые и производят ионизацию атомов активного вещества детектора (из ядра ³Не вылетает протон, а из ядер ⁶Li и ¹⁰B - альфа-частицы). По­добные реакции идут и на ядрах других лёгких элементов, но лишь для указанных трёх элементов они являются беспороговыми и сопровождаются выделением энер­гии. Для других лёгких элементов эти реакции идут с поглощением энергии и воз­можны лишь при энергиях нейтронов, начиная с энергий от десятков до сотен ки­лоэлектронвольт.

Зависимость сечений этих реакций от энергии нейтронов подчиняются за­кону σ(v) = 1/v = 1/4Ё (где v-скорость нейтронов, связанная с их энергией соотно­шением E = mv²∕2). Примерами реакций 1/v являются реакции ³He(π, p)³H и ¹⁰B(h, α)⁷Li, энергетические зависимости которых представлены на рисунке 1.1.

теристикой имеют только один резонансный пик, некоторые - несколько. В резо­нансной области сечения взаимодействия возрастают очень резко, иногда в сотни и тысячи раз. За резонансной областью сечение поглощения продолжает умень­шаться с увеличением энергии, но линейный закон может нарушаться.

Рисунок 1.1 -Зависимость сечений реакций, индуцированных нейтронами, с вылетом заряженных частиц от их энергии [16]

Продуктами реакций (1.3) в первых двух случаях являются ядра трития (сверхтяжёлого водорода), который хоть и является радиоактивным, но имеет боль­шой период полураспада (примерно 12 лет) и является чистым бета-излучателем, а в третьем случае - устойчивый изотоп ⁷Li. Поэтому они не могут использоваться в качестве индикаторов в активационном анализе.

Однако среди индикаторов есть весьма обширная группа с резонансными ха­рактеристиками. Если же рассматривать реакции веществ с нейтронами более ши­роко, то подавляющее большинство веществ в диапазоне энергий нейтронов от еди­ниц электрон-вольт до 0,1 МэВ характеризуются именно резонансными спектраль­ными характеристиками, причём многие из них обладают множеством резонансов.

В активационном анализе используются лишь те из них, продуктами которых яв­ляются радиоактивные изотопы. Следует заметить, что резонансные пики сечений реакций резонансного захвата наблюдаются на фоне монотонного снижения этих сечений при росте энергии нейтронов (от теплового уровня до десятков кэВ).

В области тепловых энергий резонансными характеристиками зависимости сечения от энергии нейтронов обладают лютеций-176 (¹⁷⁶Lu), европий-151 (¹⁵¹Eu) и плутоний-239 (²³⁹Pu). В надтепловой области энергий резонансными свойствами обладает индий-115, золото-197, серебро-107, родий-103, вольфрам-186, марганец- 55 и другие. Одним из наиболее эффективных резонансных индикаторов является индий-115. Доля активности, обусловленная его основным резонансом при энергии 1,46 эВ, достигает 96 %, т. е. энергетическая селективность этого индикатора очень высока. Большое сечение резонансного захвата (свыше 26000 барн) и удобный пе­риод полураспада (54,12 мин) обусловили его широкое использование в активаци­онных методах спектральных измерений нейтронных потоков при малых значе­ниях их плотностей. Почти такой же резонансной эффективностью как индий - 95 % обладает золото-197 (основной резонанс соответствует энергии 4,9 эВ, что близко к основному резонансу урана-238). Это определяет широкое использование золота для измерений нейтронных потоков в ядерных реакторах.

Примером резонансной характеристики с несколькими резонансными пи­ками может служить характеристика спектральной чувствительности тория-232, показанная на рисунке 1.2. Здесь на фоне постоянной составляющей порядка 10 барн выделяется несколько достаточно острых резонансных пиков, достигаю­щих величины нескольких сотен барн.

Характеристики наиболее широко применяемых резонансных индикаторов приведены в таблице 1.1.

Рисунок 1.2 - Зависимость полного сечения реакции (n,²³²Th) от энергии нейтронов

Таблица 1.1 - Основные характеристики резонансных индикаторов

Резонансный захват нейтронов полностью прекращается при их энергиях свыше 50-100 кэВ.

Рисунок 1.3 - Зависимости сечений реакций индикаторов от энергии нейтронов [26]

Из неё видно, что самым низким порогом, лежащим в области тепловых энер­гий, обладает нептуний-237. Правда абсолютные значения сечения его реакции с нейтронами тепловых и промежуточных нейтронов невысоки - сотые доли барн,

причём в этой области характеристика имеет несколько резких резонансных пиков. Но, начиная примерно с 0,5 МэВ, сечение возрастает до единиц барн, и характери­стика становится более гладкой. Области же быстрых нейтронов соответствуют по­роговые характеристики урана-238 (пороговая энергия ~ 1 МэВ), тория-232 (поро­говая энергия ~ 1,3 МэВ) и висмута-209 (с пороговой энергией 13 МэВ). Эти веще­ства, а также уран-235, с кадмиевым покрытием и покрытием из бора были исполь­зованы для создания ПДСН - пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов, ис­пользующего активационный метод анализа. Из рисунка 1.3 видно, индикаторы, изготовленные из урана-235, покрытого слоем кадмия, поглощающим все тепловые нейтроны и слоем бора-10, поглощающего все нейтроны до энергии в 1,1 эВ обла­дают типичными пороговыми характеристиками с сечением в единицы и десятки барн.

В области быстрых нейтронов используются пороговые индикаторы, пред­ставленные в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Пороговые индикаторы для быстрых нейтронов [13]

Если спектр измеряемого потока нейтронов перекрывает все указанные диа­пазоны, то, очевидно, в набор индикаторов должны входить представители всех трёх указанных групп.

35 нейтронов) представлял собой набор из шести типов пороговых индикаторов с по­роговыми энергиями 0,55; 0,7; 1,2; 1,4; 1,5 и 2,5 МэВ. Он предназначался для ис­следования радиационной устойчивости РЭА в полях быстрых нейтронов.

И в заключение следует более детально рассмотреть детекторы, основанные на упругом рассеянии нейтронов в водородсодержащем веществе. Детекторы, ис­пользующие протоны отдачи, имеют примерно постоянное сечение реакции с нейтронами в области энергий от тепловой до примерно 100 кэВ, после чего харак­теристика начинает плавно падать. Типичный вид такой характеристики представ­лен на рисунке 1.1 (реакция Н(п,п)И¹). В качестве таких детекторов могут исполь­зоваться газонаполненные детекторы (водородные и метановые ионизационные ка­меры и пропорциональные счётчики) и твердотельные сцинтилляционные детек­торы на основе органических кристаллов, а также прозрачных для видимого света пластмасс (плексиглас и полистирол). Однако постоянство сечения этой реакции отнюдь не определяет постоянство чувствительности детекторов на протонах от­дачи в этой энергетической области. Дело в том, что энергия протонов отдачи не может быть выше энергии породивших их нейтронов, а протоны малых энергий порождают столь малые по амплитуде импульсы на выходе детектора, что их не­возможно выделить на фоне шумовых импульсов, порождаемых тепловыми дви­жениями молекул активного вещества детекторов. Для газонаполненных детекто­ров на протонах отдачи (водородных ионизационных камер и водородных и мета­новых пропорциональных счётчиков) уровень шумов составляет 10-20 кэВ, а для твердотельных сцинтилляционных детекторов на протонах отдачи достигает 50 кэВ (к шумам сцинтиллятора добавляются ещё и шумы ФЭУ). Поскольку от шумо­вых импульсов необходимо отстраиваться путём амплитудной дискриминации вы­ходных импульсов детектора, то реальная нижняя граница энергий регистрируе­мых нейтронов составляет для газонаполненных детекторов 30-50 кэВ, а для твер­дотельных сцинтилляционных 100-150 кэВ.

1.5