Особенности детектирования нейтронного излучения

В промышленных приборах для регистрации ядерных излучений использу­ются, в основном, три типа детекторов [13-24]:

1 Ионизационные детекторы с прямым преобразованием энергии частиц в электрический заряд.

2 Сцинтилляционные детекторы, в которых используется люминесценция ве­щества детектора при поглощении излучения с последующим преобразованием энергии световых фотонов в электрический сигнал (при помощи фотоэлектронного умножителя - ФЭУ).

3 Полупроводниковые детекторы (кремниевые или германиевые), в которых используется образование пар подвижных носителей заряда (электрон-дырка) под действием ядерных частиц.

Механизм преобразования энергии в детекторах ионизационного типа идёт по цепи: поглощение энергии частицы преобразование поглощённой энергии в первичный электрический заряд усиление первичного заряда (для детекторов с газовым усилением - пропорциональных счётчиков и счётчиков Гейгера-Мюллера) сбор заряда на электродах детектора.

В сцинтилляционных детекторах эта цепь несколько длиннее: поглощение энергии частицы преобразование поглощённой энергии в световые фотоны сбор фотонов на фотокатоде ФЭУ и выбивание из него фотоэлектронов (первич­ногоэлектрического заряда) усиление электронного потока динодной системой ФЭУ сбор электронного потока на аноде ФЭУ.

Ионизацию среды могут производить только заряженные частицы - элек­троны, протоны, альфа-частицы (ядра атомов гелия) и другие заряженные элемен­тарные частицы и ядра химических элементов. Нейтральные частицы (нейтроны) и

15 электромагнитное излучение (гамма-кванты) ионизируют среду косвенно, через различные процессы передачи своей энергии среде с порождением вторичного из­лучения - заряженных частиц, которые и производят ионизацию среды. С учётом этого конечного процесса под ионизирующим излучением, в самом общем смысле данного термина, принято понимать любой вид излучения, состоящего из заряжен­ных частиц, нейтральных частиц или квантов, который при своем взаимодействии с физической средой непосредственно и/или косвенно производит её ионизацию.

Таким образом, принцип действия подавляющего большинства нейтронных детекторов основан на регистрации вторичных заряженных частиц или гамма-кван­тов, образующихся в результате взаимодействия нейтронов с атомными ядрами или на измерении активности облучённых нейтронами определённых веществ-ин­дикаторов [25].

По величине энергии нейтроны, порождаемые в ядерных реакциях или в ре­зультате радиоактивного распада некоторых тяжёлых радиоизотопов, разделяют на три группы: тепловые (энергия от 0,025 до 0,5 эВ), промежуточные (от 0,5 эВ до 200 кэВ) и быстрые (более 200 кэВ). Напомним, что энергия теплового движения

16 среды при комнатной температуре (293,6 К) составляет 0,025 эВ. Потоки нейтронов сопровождаются более или менее значительными потоками гамма-квантов, влия­ние которых на результаты измерений плотности нейтронных потоков стремятся свести к минимуму [26].

Нейтроны регистрируются по вторичному излучению их взаимодействия со средой. Для этих целей используются все вышеназванные процессы их взаимодей­ствия со средой:

- упругое рассеяние нейтронов ядрами атомов водорода с образованием сво­бодных электронов и протонов;

- неупругое рассеяние с образованием возбужденных ядер, которые, осво­бождаясь от избыточной энергии, излучают фотоны;

- ядерные реакции под действием нейтронов, в результате которых из ядра вылетают заряженные частицы.

Таким образом, всё разнообразие нейтронных детекторов базируется на вы­шеуказанных взаимодействиях нейтронов с активным веществом детектора. Осо­бенности этих взаимодействий вносят ограничения на возможности и характери­стики различных типов детекторов и специфику их использования. Чтобы выяс­нить, какие из детекторов наиболее приемлемы для приборной реализации нейтронных спектрометров-дозиметров, и какие сложности возникают при детек­тировании нейтронного излучение, далее будет рассмотрен каждый из их видов и проанализированы особенности их использования.

1.2