Nötron algılama

Nötronların tespit etkin algılama nötron bir giren detektörü . Etkili nötron tespitinin iki yönü vardır: donanım yönü ( donanım ) ve yazılım yönü ( yazılım ). Algılama ekipmanı, kullanılan dedektör tipini (çoğunlukla bir sintilasyon detektörü ) ve onunla ilişkili elektronikleri ifade eder. Öte yandan, malzemenin montajı, kaynak ile dedektör arasındaki mesafe veya katı açı gibi deneysel parametreleri de tanımlar .dedektörün. Algılama yazılımı, dedektöre giren nötronların sayısını ve enerjisini ölçmek için grafik analiz gibi görevleri gerçekleştiren analitik araçlardır.

Nötron tespitinin fiziksel temeli

Nötron imzaları

Atomik ve atom altı parçacıklar, çevreleriyle etkileşime girdiklerinde ürettikleri imza ile tespit edilir. Bu etkileşimler temel özelliklerinden kaynaklanmaktadır:

• yük  : nötronlar nötr parçacıklardır ve doğrudan iyonlaşmaya neden olmazlar ; bu nedenle, doğrudan algılanmaları yüklü parçacıklara göre daha zordur. Ek olarak, yörüngeleri elektrik veya manyetik alanlardan etkilenmez  ;
• kütle  : nötronun kütlesi, 1.008 664 916 00 (43)  u , doğrudan tespit edilemez, ancak nötronların tespitine izin veren reaksiyonlar üzerinde bir etkiye sahiptir;
• reaksiyonlar: nötronlar, elastik saçılma , çekirdek geri tepmesi , esnek olmayan saçılma , çekirdeği uyarma veya çekirdeğin dönüşümü ile birlikte emilim yoluyla birçok malzeme ile etkileşime girer . Çoğu tespit yöntemi, farklı reaksiyon ürünlerinin tespitine dayanır;
• manyetik moment  : nötronların manyetik momenti -1.913 042 72 (45) μ N olmasına rağmen  , manyetik moment algılama teknikleri nötron tespitinde kullanılacak kadar hassas değildir;
• elektrostatik dipol  : tahmin edilmesine rağmen, nötronun elektrostatik dipolü henüz tespit edilmemiştir. Bu nedenle kullanılabilir bir imza değildir;
• bozunma  : çekirdeğin dışında, serbest nötronlar kararsızdır ve ortalama 880.3 (11) sn (yaklaşık 14 dakika 40 saniye) ömürleri vardır  . Nötronlar çürümeye bir yayarak proton , bir elektron ve antineutrino elektron göre, β bozunma işlemi  :

değil⟷p+e-+ν¯e{\ displaystyle n \ longleftrightarrow p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}

Nötronların bozunmasıyla üretilen elektron ve protonları tespit etmek mümkün olsa da, bozunma oranı pratikte nötronların tespiti için kullanılamayacak kadar düşüktür.

Geleneksel nötron algılamaları

Bu özelliklere dayanarak, nötron algılama yöntemleri birkaç ana kategoriye ayrılır:

• Hızlı absorpsiyon reaksiyonları: Düşük enerjili nötronlar genellikle absorpsiyon reaksiyonları ile dolaylı olarak tespit edilir. Tipik olarak, kullanılan malzemeler izotoplar büyük olan bir kesite gibi nötron absorpsiyon, 3 He , 6 Li , 10 B ve 235 U . Bu izotopların her biri, iyonlaşma yörüngesi tespit edilebilen yüksek enerjili iyonize parçacıklar yayarak nötronlarla reaksiyona girer. Kullanılan reaksiyonlar arasında şunları not ediyoruz:
  • n + 3 He → 3 H + 1 H;
  • 6 Li (n, a) → 3 H;
  • n + 10 B → 7 Li + α;
  • fizyon uranyum 235 u + n → 236 U → X + Y + kn;
• aktivasyon süreci - nötronlar, daha sonra bozunan, similar parçacıklar veya ışınları yayan reaksiyon ürünleri ile yakalama, dökülme veya benzer bir reaksiyonla emilerek tespit edilebilir . Bazı malzemeler ( indiyum , altın , rodyum , demir ( 56 Fe (n, p) → 56 Mn), alüminyum ( 27 Al (n, α) → 24 Na),  niyobyum ( 93 Nb (n, 2n) → 52 Nb) ve silikon ( 28 Si (n, p) → 28 Al)) dar bir enerji aralığında nötronların yakalanması için çok büyük bir kesite sahiptir. Birkaç emici malzemenin kullanılması, nötronların enerji spektrumunun karakterizasyonuna izin verir. Aktivasyon ayrıca geçmiş nötron maruziyetinin yeniden oluşturulmasına izin verir (örneğin, kritiklik kazası sırasında nötron maruziyetlerinin yeniden oluşturulması );
• elastik saçılma reaksiyonları ("proton geri tepmesi"): yüksek enerjili nötronlar genellikle dolaylı olarak elastik saçılma reaksiyonları ile tespit edilir. Nötronlar, dedektördeki atomların çekirdekleri ile çarpışarak, çekirdeklere enerji aktarır ve tespit edilen iyonları oluşturur. Çarpışan atomun kütlesi nötronunkiyle karşılaştırılabilir olduğunda maksimum enerji transferi gerçekleştiğinden , bu tür dedektörler için genellikle hidrojen içeren malzemeler (su veya plastik gibi) kullanılır.

Nötron dedektör türleri

Orantılı gaz dedektörleri

Orantılı gaz iyonizasyon dedektörleri, nötronları tespit etmek için kullanılabilir. Nötronlar doğrudan iyonlaşmaya neden olmasa da, büyük bir nükleer kesite sahip bir çekirdek ilavesi , dedektörün nötronlara tepki vermesine izin verir. Genellikle bu amaç için kullanılan çekirdekler şunlardır: 10 B, 235 U ve 3 He. Bu malzemeler çoğunlukla termal nötronlarla etkileşime girdiğinden , ölçülü (veya termalleştirme ) malzemelerle çevrilidirler .

Nötron sinyalini diğer radyasyon türlerinden izole etmek için diğer etkiler hesaba katılmalıdır. Nötronlardan kaynaklanan reaksiyonların enerjileri ayrıktır, örneğin ışınlarından kaynaklananlar ise geniş bir enerji bandına yayılır ve bu da yalnızca nötronları tespit etmeyi mümkün kılar.

Gaz iyonizasyon dedektörleri, enerjilerini değil, nötronların sayısını ölçer.

Birkaç tür orantılı gaz dedektörü vardır:

• 3 He dedektörleri : 3 He helyum izotopu , nötronların tespiti için özellikle etkili bir malzemedir, çünkü 3 He, termal nötronları emerek reaksiyona girer, 1 H ve 3 H yayar.γ ışınlarına duyarlılığı ihmal edilebilirdir, bu da onu bir yaygın olarak kullanılan nötron detektörü. Bununla birlikte, 3 He kaynakları sınırlıdır ve trityum bozunumunun bir yan ürünü olarak elde edilir (ortalama ömrü 12,3 yıldır);
• BF 3 detektörler  : bor elementinin gaz halinde olmayan şekilde, bor bazlı nötron detektörleri kullanabilir bor trifluorür (BF 3 % 96 zenginleştirilmiş) 10 (doğal bor 20 ila yaklaşık% ihtiva B 10 B ve% 80 11 B);
• bor dedektörleri, BF 3 ile orantılı dedektörlere benzer şekilde davranır . Aradaki fark, detektörün duvarlarının 10 B ile kaplanmış olmasıdır . Reaksiyon sadece bir yüzeyde gerçekleştiğinden, reaksiyon tarafından yayılan iki partikülden sadece biri tespit edilir.

Sintilasyon dedektörleri

Sintilasyon nötron detektörleri, organik sintilatörlere (sıvı veya kristal ), inorganik sintilatörlere , plastiklere ve sintilasyon liflerine dayanabilir .

Yarı iletken tabanlı nötron dedektörleri

Yarı iletken nötron tespit etmek için kullanılmıştır.

Nötronla etkinleştirilen dedektörler

Aktive edici materyaller, enerji spektrumlarını ve yoğunluklarını karakterize etmek için bir nötron alanına yerleştirilebilir. Birkaç aktivasyon eşiği olan aktivasyon reaksiyonları kullanılabilir ( 56 Fe (n, p) → 56 Mn, 27 Al (n, α) → 24 Na, 93 Nb (n, 2n) → 52 Nb, 28 Si (n, p) → 28 Al).

Hızlı nötron dedektörleri

Hızlı nötronların tespiti bazı problemler ortaya çıkarır. Yönlü hızlı bir nötron detektörü, plastik bir sintilasyon malzemesinin ayrı düzlemlerinde çoklu proton geri tepmeleri kullanılarak geliştirilmiştir. Nötron çarpışmalarının yarattığı geri tepme çekirdeklerinin yörüngesi kaydedilir; İki geri tepme çekirdeğinin enerjisinin ve açısal momentumunun belirlenmesi , olay nötronunun yönünün ve enerjisinin hesaplanmasına izin verir.

Başvurular

Nötron tespitinin birkaç uygulama alanı vardır. Her uygulama farklı algılama sistemleri gerektirir.

• Reaktör enstrümantasyonu: Bir reaktörün gücü , nötron akısıyla doğrusal orantılı olduğundan , nötron dedektörleri nükleer ve araştırma reaktörlerinde önemli bir güç ölçüsü sağlar . Kaynar su reaktör nötron detektörleri onlarca sahip olabilir. Termal nötron nükleer reaktörlerinde kullanılan nötron dedektörlerinin çoğu, termal nötronların tespiti için özel olarak optimize edilmiştir.
• Parçacık fiziği  : nötron tespiti, nötrino gözlemevlerinin performansını iyileştirmek için önerilmiştir .
• Malzeme Bilimi  : Elastik ve esnek olmayan nötron saçılımı, malzemelerin yapısının birkaç ångström'den yaklaşık birkaç mikrometreye kadar değişen uzunluk ölçeklerinde karakterizasyonuna izin verir .
• Radyasyondan korunma  : Nötronlar, nötron kaynaklarında, uçuşlar sırasında, parçacık hızlandırıcılarda ve nükleer reaktörlerde bulunan tehlikeli radyasyonlardır. Radyasyondan korunma için kullanılan nötron dedektörleri, göreceli biyolojik eylemi (nötronların yarattığı hasarın enerjilerine göre nasıl değiştiğini) hesaba katmalıdır.
• Kozmik ışın tespiti  : ikincil nötronlar atmosferik duşlarda üretilir . Nötron detektörleri, kozmik ışınların akışındaki değişiklikleri kaydetmek için kullanılır.
• Bölünebilir malzemelerin tespiti  : 233 U ve 239 Pu gibi bazı özel nükleer malzemeler kendiliğinden fisyon yoluyla bozunur , nötronlar yayar. Nötron dedektörlerinin kullanılması, bu materyallerin tanımlanmasını mümkün kılar.

Referanslar

• (fr) Bu makale kısmen veya tamamen Wikipedia makalesinden alınmıştır İngilizce başlıklı “  Nötron algılama  ” ( yazarların listesini görmek ) .

1. K.A. Olive ve ark. (Parçacık Veri Grubu), Parçacık Fiziğinin İncelenmesi , Chin. Phys. C , 38 , 090001 (2014), sayfa 1380
2. (in) "  Properties baryonların  " üzerinde Parçacık veri grubunun ,2007(erişim tarihi 20 Haziran 2011 )
3. (en) Nicholas Tsoulfanidis, Radyasyon Ölçümü ve Tespiti , Washington, DC, Taylor & Francis ,1995, 2 nci  baskı. ( ISBN  1-56032-317-5 ) , s.  467–501
4. (inç) "  Boron Trifluoride (BF3) Nötron Detektörleri  " ( 20 Haziran 2011'de erişildi )
5. (in) I. Yousuke , S. Daiki , K. Hirohiko , S. Nobuhiro ve I. Kenji , "  Sıvı organik sintilatörde yüksek enerjilerde darbe şekli ayrımının bozulması  " , Nuclear Science Symposium Conference Record , IEEE, cilt.  1,2000, s.  6 / 219-6 / 221 ( DOI  10.1109 / NSSMIC.2000.949173 )
6. (in) N. Kawaguchi , T. Yanagida , Y. Yokota , K. Watanabe , K. Kamada , K. Fukuda , T. Suyama ve A. Yoshikawa , "  2'li bir nötron detektörü olarak kristal büyümesi ve sintilasyon özelliklerinin incelenmesi inç çapında ab katkılı LiCaAlF6 tek kristal  ” , Nükleer Bilim Sempozyumu Konferans Kaydı (NSS / MIC) , IEEE,2009, s.  1493-1495 ( DOI  10.1109 / NSSMIC.2009.5402299 )
7. (inç) N. Miyanaga , N. Ohba ve K. Fujimoto , "  Atalet hapsi füzyon deneyinde yanma geçmişi ölçümü için fiber sintilatör / detektör şerit kamerası  " , Review of Scientific Instruments , cilt.  68, n o  1,1997, s.  621-623 ( DOI  10.1063 / 1.1147667 )
8. (inç) A. Mireshghi , G. Cho , JS Drewery , WS Hong , T. Jing , H. Lee , SN Kaplan ve V. Perez-Mendez , "  Yüksek verimli nötron duyarlı amorf silikon piksel dedektörleri  " , Nuclear Science , IEEE , cilt.  41, n o  4 (1-2),1994, s.  915–921 ( DOI  10.1109 / 23.322831 )
9. (in) CWE van Eijk , JTM Haas , P. Dorenbos , KW Kramer ve HU Gudel , "  Elpasolit monoklinik ve termal nötron sintilatörlerinin geliştirilmesi  " , Nuclear Science Symposium Conference Record , cilt.  1,2005, s.  239-243 ( DOI  10.1109 / NSSMIC.2005.1596245 )
10. (inç) PE Vanier , L. Forman , I. Diószegi , C. Salwen ve VJ Ghosh , "  Yönlü geniş alan hızlı nötron detektörünün kalibrasyonu ve testi  " , Nükleer Bilim Sempozyumu Konferans Kaydı , IEEE,2007, s.  179-184 ( DOI  10.1109 / NSSMIC.2007.4436312 )
11. (inç) John F. Beacom ve Mark R. Vaginas , "  Büyük Su Cerenkov Detektörleri ile Antineutrino Spektroskopisi  " , Physical Review Letters , cilt.  93, n o  17,2004, s.  171101 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.93.171101 )
12. (inç) [ps] GD Cates, D. Day, N. Liyanage, "  Nötron Proton Etiketli Bağlı Yapı Sondası, EMC Etkisinin Kökeni  " , Jefferson Labs,2004( 9 Haziran 2005'te erişildi )

Kaynakça

• (en) SA Pozzi , JA Mullens ve JT Mihalczo, JT , "  Plastik (BC-420) ve sıvı (BC-501) sintilatörlerin kalibrasyonu için nötron ve foton algılama pozisyonunun analizi  " , Nükleer Aletler ve Fizik Araştırmalarında Yöntemler A , cilt.  524, n kemik  1-3,2003, s.  92-101 ( DOI  10.1016 / j.nima.2003.12.036 )
• (en) RA Cecil , BD Anderson ve R. Madey , "1  MeV'den yaklaşık 300 MeV'ye kadar Hidrokarbon Sintilatörler için Nötron Saptama Verimliliğinin Geliştirilmiş Tahminleri  " , Nuclear Instruments and Methods in Physics Research , cilt.  161, n o  3,1979, s.  439-447 ( DOI  10.1016 / 0029-554X (79) 90417-8 )
• (tr) "  DOE Fundamentals Handbook on Instrumentation and Control, Volume 2  " (erişim tarihi 20 Haziran 2011 )

Ayrıca görün

• Mikro kanallı kek
• Geniş Alan Nötron Dedektörü
• Nötron probu

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">