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EIN Neutronendetektor ist ein Messgerät für Neutronen wahrnehmen. Da ein Neutron elektrisch neutral ist, muss dies indirekt erfolgen. Neutronendetektoren finden Anwendung in Atomkraftwerke, medizinische Anwendungen und Forschung.
Messprinzipien
Drei Hauptprinzipien lassen sich unterscheiden: Neutroneneinfang, Neutronenaktivierung und Protonenrückstoß.
Neutroneneinfang
Neutroneneinfang ist für niederenergetische Neutronen geeignet, das Neutron (n) wird beispielsweise eingefangen von Helium-3, Lithium-6, Bohrer-10 oder Uran-235, das dann selbst ein leicht messbares geladenes Teilchen oder ein Photon nach den Reaktionen emittiert:
- 3Er n → 3H p
- 6Li n → 3huh 4Hallo
- 10B n → 7Li 4Hallo
- 235U n → X Y z n
Bei der Verwendung von Uran beträgt die Lebensdauer nur drei Jahre, da das Material zur Neige geht.Um Abhilfe zu schaffen, wird manchmal eine Schicht Uran-234 mit einer kleinen Menge Uran-235 verwendet. Es Uran-234 wächst dann von selbst Uran-235 damit das Messgerät zehn Jahre lang gut bleibt.
Die dabei entstehenden Protonen (p) oder Alphastrahlung (Helium-4) sind dann mit a Ionisationskammer, Proportionalzähler oder Geigerzähler messen.
Neutronenaktivierung
Neutronen sind auch messbar, indem sie über Neutronenaktivierung einen Kern zu spalten, wobei die Reaktionsprodukte selbst unter Emission von leicht messbaren Alpha-, Beta oder gamma Strahlen.Beispiele für geeignete Materialien sind: Indium, Gold, Rhodium, Eisen, Aluminium, Niob, Silizium, die alle ein großes wirksamer Querschnitt für Neutronen in einem schmalen Energieband. Durch die Kombination verschiedener Materialien ist es möglich, das Energiespektrum der Neutronen zu bestimmen.
Protonenrückstoß
Protonenrückstoß von elastischStreuung ist geeignet für Neutronen mit einer Energie über 50keV.Das Neutron kollidiert mit einem Atomkern im Detektor, überträgt Energie auf diesen und macht eine messbare Ion stammen. Am besten geeignet ist ein Lichtelement wie such Wasserstoff, zum Beispiel in Wasser oder Plastik.[1] Beispiele für geeignete Kunststoffe sind Stilben[2] und Elpasolit.[3]
Typen
Basierend auf diesen Prinzipien wurden verschiedene Arten von Neutronendetektoren entwickelt: Proportional-Gasdetektoren mit Helium-3, Bortrifluorid oder festes Bor-10 und Detektoren basierend auf Szintillation in Gas, Flüssigkeit oder Feststoff.
Proportionale Gasdetektoren
Proportionalzähler kann modifiziert werden, um Neutronen zu detektieren. Hiermit a Nuklid mit großem Wirkungsquerschnitt für Neutronen hinzugefügt, wie z Helium-3, Lithium-6, Bohrer-10 oder Uran-235. Denn diese Nuklide reagieren hauptsächlich mit a thermische Neutronen wird normalerweise a Moderator hinzugefügt, um die Neutronen zu verlangsamen.
Proportionaldetektoren mit Helium-3 Gasfüllung
Helium-3 ist ein effektiver Neutronendetektor nach
- 3Er n → 3h p.
Der Detektor ist unempfindlich gegenüber Gammastrahlung, der Nachteil ist, dass Helium-3 teuer ist.Helium-3 entsteht durch den Zerfall von Tritium mit 12,3 Jahren halbes Leben. Tritium wird in Kernreaktoren und in Atomwaffenprogrammen produziert.
Mit Bortrifluorid-Gas gefüllte proportionale Detektoren
Um Bor in Gas umzuwandeln, ist es Bortrifluorid (BF3) verwertet von natürlichen 20% auf 96% angereichert Bohrer-10.[4] Der Nachteil ist, dass Bortrifluorid toxisch ist.
Feste borbeschichtete Detektoren
Eine Alternative sind Detektoren, deren Wand mit festem Bor-10 beschichtet ist. Der Nachteil ist, dass die Hälfte der Neutronen nach außen verloren geht.
Szintillationsdetektoren
Detektoren basierend auf szintillation existieren auf der Basis von Heliumgas[5], als organische Flüssigkeiten[6], Kristalle, Kunststoffe[7] und vor allem Glas Glasfaser. Es gibt auch Detektoren auf Basis von Halbleiter.[8][9]
Faseroptische Detektoren
Funkeln im Glas gedopt mit Lithium-6 wurde 1957 in der wissenschaftlichen Literatur berichtet. Szintillation in einem Fiberglas wurde 1987 beschrieben. Bis 1990 machte das Pacific Northwest National Laboratory Fortschritte, aber ihre Forschung blieb geheim. Die Geheimhaltung wurde 1994 aufgehoben und Oxford Instruments übernahm Lizenz. 1999 übernahm Nucsafe das Produkt.[10][Quelle?]
Die Glasfaser szintilliert, weil sie Lithium-6 und dreiwertige . enthält Cer (ce3 ) ist im Glas.[11][12][13] Lithium-6 weist eine große wirksamer Querschnitt für thermische Neutronen nach der Reaktion:
- 6Li n → 3huh 4Hallo.
Es Tritium und der Alphastrahlung geben Energie an das Glas und damit an das Cer ab, die Photonen von 390 – 600nm sendet, wenn es auf die zurückfällt Grundzustand.[14] Jedes Neutron produziert Tausende von Photonen. Der Lichtleiter leitet das Licht zu einem Photomultiplier. Der Photomultiplier reagiert auch auf gamma Strahlen, aber eine Unterscheidung ist basierend auf der Pulshöhe möglich.[15][16] Die ersten Glasfasern zeigten bereits bei 0,2 µ . falsche Neutronen anGy/h Gammastrahlen, aber jetzt können sie mit 0,2 mGy/h arbeiten, die von . erzeugt werden Kobalt-60.
Die faseroptischen Detektoren sind empfindlich, robust und reagieren in 60ns und sind in jeder Form und Größe erhältlich.[17][18]
Sie verwenden kein seltenes Material wie Helium-3 und sind weder giftig noch gefährlich.
Das wirksamer Querschnitt für Neutronen von Lithium-6 ist nur 940Scheune im Vergleich zu 5330 Scheunen für Helium 3. Dennoch sind Glasdetektoren mindestens so empfindlich wie mit Helium-3-Gas gefüllte Detektoren, da sich im Glas 50-mal mehr Neutronenfallen befinden als im Druckgas.
LiCaAlF6
Lithium Calcium Aluminium Hexafluorid LiCaAlF6 ist ein fester Kristall, der Neutronen erkennt. Um Szintillation zu erhalten, ist es gedopt mit Cäsium oder europium.[19] und optional Natrium.[20]
Europium-dotiertes LiCaAlF6 hat eine lange Abklingzeit, was es für intensive Strahlung ungeeignet macht. Cäsium-dotiertes LiCaAlF6 hat eine kürzere Abklingzeit, ist aber für schwache Strahlung weniger geeignet, da die Lichtleistung geringer ist.
LiCaAlF6 produziert 30.000 Photonen pro Neutron, fünfmal mehr als Glasfaser.LiCaAlF6 ist ein leichter und kleiner Detektor, auch als Messgerät in Heißluftballons geeignet.
Aktivierungsdetektoren
Um das Energiespektrum der Neutronen zu messen, können Stoffe mit unterschiedlichen Aktivierungsenergie in die Neutronenstrahlung.
- 56Fe n → 56Mnp,
- 27Al n → 24Nach dem 4Hallo,
- 93Nb n → 92mnb 2n,
- 28Si n → 28al s.
Schnelle Neutronen
Schnelle Neutronen können nachgewiesen werden, indem man zuerst a Moderator zu thermischen Neutronen, dabei gehen aber Informationen über Energie, Richtung und Zeit verloren.
Diese Information ist für einige Anwendungen wichtig: Schnelle Neutronendetektoren gibt es als Flüssigkeitsszintillationsdetektoren, Gasdetektoren mit Helium-4 und Kunststoffdetektoren mit Protonenrückstoß. Dies funktioniert von 1 bis 300 MeV[21]