нейтронные исследования что это
Нейтронные исследования что это
Ответственный: д.ф.-м.н..Курбаков А.И.
Порошковая нейтронная дифракция (NPD) традиционно является ключевой методикой в исследованиях по физике конденсированного состояния, материаловедении (в том числе, в создании новых материалов, наноматериаловедении, энергетическом материаловедении, создании лекарственных препаратов и т.п.). Данная методика практически не имеет ограничений в выборе объектов изучения.
Исследование кристаллической структуры и атомных колебаний нейтронографическими методами
Ответственный: м.н.с. Кибалин Ю.А.
Исследование внутреннего движения в веществах, в том числе атомных и ионных колебаний кристалла, всегда было одной из фундаментальных задач физики твердого тела. Движение атомов определяет такие макроскопические свойства вещества, как теплопроводность, тепловое расширение, и влияет практически на все другие физические свойства. В последнее время появился большой интерес к атомным колебаниям в наноструктурированных объектах, что связано как с потенциальными практическими приложениями, так и важностью для фундаментальной науки.
Исследования магнитного упорядочения методами дифракции нейтронов на монокристаллах
Ответственный: к. ф.-м. н., с.н.с. Зобкало И.А.
Дифракция нейтронов является уникальным методом исследования магнитных явлений в веществе на микроскопическом уровне. Это связано с тем, что нейтрон обладает магнитным моментов, что приводит к различным магнитным взаимодействиям при их рассеянии. Дифракция нейтронов позволяет детально исследовать магнитное упорядочение в кристаллах, выяснить величину и направление магнитных моментов на конкретных ионах. Использование пучков поляризованных нейтронов обеспечивает исключительную информацию о магнетизме исследуемых соединений.
Малоугловое и ультра малоугловое рассеяния нейтронов
Ответственный: н.с. Копица Г.П.
Малоугловое (МУРН) и ультра малоугловое (УМУРН) рассеяние нейтронов – дифракционные методы, которые используются для изучения надатомной структуры вещества в физике конденсированного состояния вещества, в физико-химических процессах дисперсных систем и т.д. Методы одинаково успешно применяется для изучения фундаментальных проблем и для решения технологических задач.
В МУРН и УМУРН используется излучение с длинной волны в несколько ангстрем, т.е. порядка межатомных расстояний в конденсированной фазе вещества. Поэтому, для исследования надатомной структуры (мезоструктуры) – неоднородностей гораздо большего масштаба, чем атом, достаточно исследовать картину рассеяния в области малых углов. Важнейшей особенностью методов МУРН и УМУРН является возможность анализа мезоструктуры разупорядоченных сред. Данные методы широко применяется при изучении ядерных и магнитных неоднородностей в различных материалах, в том числе при исследовании пористых сред, сплавов, нанопорошков, неорганических и органических золь-гель нанокомпозитов и т.п., в которых присутствует сильная дисперсность контрастирующих неоднородностей в масштабе от десятков ангстрем до нескольких микрон.
Малоугловое рассеяние поляризованных нейтронов (МУРПН)
Ответственный: н.с. Копица Г.П.
Исследования физических свойств магнитных наноструктурированных материалов является важным направлением в современной науке. Это связано, в частности, с тем, что, во-первых, быстрое развитие технологий синтеза позволяет создавать наноструктуры со сложной топологией, химическим составом и, порой, трудно предсказуемым магнитным поведением. Во-вторых, сочетание магнитных свойств материалов с упорядоченностью наноразмерных элементов зачастую приводит к появлению сложной магнитной структуры, исследование которой чрезвычайно важно с точки зрения развития теории магнетизма. Магнетизм в этих системах экспериментально изучается, как правило, интегральными методами, которые, однако, не могут дать ответа на вопрос о пространственном распределении и характере спиновых корреляций, что важно для понимания физических процессов в данных материалах. В тоже время, данную информацию можно получить, используя методы малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов (МУРПН) благодаря тому, что нейтроны, обладая спином и, соответственно, магнитным моментом, интенсивно рассеиваются на неоднородностях магнитной индукции в образце. Источниками таких неоднородностей могут быть как длиннопериодические структуры, образованные атомными магнитными моментами, так и статические и динамические флуктуации намагниченности в кристаллических и аморфных ферромагнетиках, спиновых стеклах, или вихри магнитного потока в сверхпроводниках.
Нейтронная рефлектометрия
Ответственный: м.н.с. Тарнавич В.В.
Нейтронная рефлектометрия является дифракционным методом исследования плоских границ раздела сред путем анализа зеркально отраженных низкоэнергетичных (холодных) нейтронов с длиной волны порядка λ = 1 ÷ 10 Å, падающих под малыми углами (
Нейтронные исследования что это
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» запускает в Гатчине (Ленинградская область) реактор ПИК — пучковый исследовательский комплекс. Он надолго станет мощнейшим в мире источником нейтронов. Пробный пуск установки уже состоялся. Планируется, что она выйдет на полную мощность в 2022 году.
Нейтроны нужны всем. С их помощью изучают ядерные реакции и поведение элементарных частиц. Облучение нейтронами помогает выяснить внутреннюю структуру, состав и магнитные свойства вещества. Это необходимо физикам, занимающимся свойствами твердых тел, материаловедам, химикам, биологам, фармацевтам. Медики применяют и совершенствуют методы лечения рака с помощью нейтронного облучения. Инженеры вырабатывают технические решения для конструкций, которым предстоит работать в условиях нейтронного облучения (такие системы используются в ядерной энергетике, а в обозримом будущем понадобятся и на термоядерных электростанциях). Список примеров можно продолжать еще долго. И практически по всем этим направлениям будут работать ученые на десятках экспериментальных установок, которые войдут в реактор ПИК.
ПИК имеет много общего с энергетическими атомными реакторами, установленными на АЭС. Так, в качестве топлива используется уран-235. Под действием нейтронов его ядра делятся, испуская новые нейтроны, которые, в свою очередь, делят новые ядра. Так происходит цепная реакция.
Однако основное назначение ПИК — вырабатывать не энергию, а нейтроны. Поэтому с энергетической точки зрения он имеет сравнительно небольшую мощность в 100 мегаватт (обычный энергоблок атомной электростанции вдесятеро мощнее). Однако эта мощность сосредоточена в небольшом объеме активной зоны: около 50 литров. Это позволяет создать необычайно плотный поток нейтронов, который отводится из реактора по специальным каналам (нейтроноводам).
Нейтроны, образующиеся при делении ядер, имеют огромную скорость (а значит, и энергию). Между тем для физиков, химиков и других исследователей представляют интерес частицы с самыми разными энергиями в зависимости от конкретной научной задачи. Поэтому применяется вещество, замедляющее нейтроны (в ПИК это обычная вода).
В разных зонах реактора частицы замедляются в разной степени. Поэтому в распоряжении ученых оказываются потоки самых разных нейтронов: от горячих (самых быстрых) до ультрахолодных (самых медленных).
Чтобы нейтроны не разлетались из активной зоны, используется отражатель. На ПИК он состоит из тяжелой воды. В молекулах этого вещества водород представлен своим тяжелым изотопом — дейтерием. Такая вода практически не поглощает нейтроны. Поэтому она возвращает их обратно в активную зону, препятствуя утечке. В отражателе имеется 21 канал, по которому нейтроны выводятся из реактора, так сказать, в руки экспериментаторов.
Кроме того, конструкция установки позволяет размещать образец, который нужно облучить нейтронами, прямо внутри реактора.
Строительство реактора началось в 1976 году на территории НИИ, ныне носящего название Петербургский институт ядерной физики имени Б.П. Константинова (ПИЯФ) и входящего в НИЦ «Курчатовский институт».
В 1986 году, когда установка была готова более чем наполовину, грянула авария на Чернобыльской АЭС. Чтобы эта катастрофа не повторилась, требования к безопасности ядерных объектов были серьезно усилены. Проект ПИК был заново проанализирован, модернизирован и приведен в соответствие с новыми нормами. К началу 1990-х строительство было уже близко к завершению, но тут началась эпоха перемен. Работы были практически заморожены до середины 2000-х годов. Затем финансирование проекта возобновилось, но его объемы не позволяли ПИЯФ завершить строительство своими силами.
Перелом в судьбе ПИК произошел в 2010 году, когда ПИЯФ вошел в состав Курчатовского института. За короткое время реактор был существенно модернизирован, некоторые элементы были полностью заменены. Теперь он представляет собой современную установку класса «мегасайенс».
28 февраля 2011 года состоялся физический пуск реактора. Это значит, что систему запустили на небольшой мощности, которая не требует специально отводить от нее тепло, — установка охлаждается естественным образом. Впереди энергетический пуск, то есть запуск на полную мощность.
Постепенно ученые налаживали сложнейший комплекс из реактора и установок для экспериментов с полученными нейтронами, и сейчас он почти готов.
«В настоящее время начата подготовка инфраструктуры экспериментов: источники холодных и горячих нейтронов, научные станции, системы транспортировки нейтронов и другое оборудование. Первая фаза этой работы будет закончена в следующем году, когда в соответствии с указом Президента Российской Федерации будут запущены первые пять установок для проведения нейтронных исследований», — рассказывает Максим Владимирович Румянцев, заместитель главного инженера реактора ПИК.
Полномасштабное начало экспериментов планируется на 2022 год после ввода в эксплуатацию первого источника холодных нейтронов и нейтроноводной системы, уточняет эксперт.
«По своим возможностям ПИК превосходит все существующие и строящиеся нейтронные источники», — отмечает Сергей Иванович Воробьев, ученый секретарь Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» — ПИЯФ.
Установка отличается от большинства аналогичных зарубежных проектов очень мощными нейтронными потоками в отражателе, наличием нейтронной ловушки с рекордным потоком и увеличенным числом экспериментальных каналов для вывода нейтронов из реактора, конкретизирует ученый.
Ближайший конкурент ПИК — исследовательский реактор в Международном институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция). Однако последний остановит свою работу в середине 2020-х годов.
Кроме того, в городе Лунд (Швеция) строится импульсный источник нейтронов ESS. Но он основан на других принципах получения нейтронов и по своим возможностям дополняет ПИК, а не конкурирует с ним.
«В ближайшее десятилетие установка ПИК будет лучшей в Европе в своем классе и станет основой Международного центра нейтронных исследований мирового класса в Гатчине», — обещает Воробьев.
Начало исследований на реакторе ПИК и создание Международного центра нейтронных исследований (МЦНИ) является важнейшим событием для всего мирового научного сообщества.
«Мы наблюдаем большой интерес западных коллег к нашим проектам и открыты для международного научного сотрудничества. Так, уже подписано соглашение с Обществом Гельмгольца (Германия) о размещении на базе реактора ПИК станций из Научного центра ГКСС (Геестхахт). Это позволит проводить исследования в области физики конденсированного состояния и материаловедения», — делится фактами Воробьев.
В МЦНИ будут проводиться исследования в области физики, химии, биологии, наук о Земле, материаловедения, технологического контроля изделий, работ по развитию технологий микро- и наноэлектроники, производства изотопов и так далее.
«Такие возможности открывают новые горизонты для исследований: европейские страны, где располагаются крупнейшие научные центры, выражают желание включиться в проект создания МЦНИ. Например, уже готовится межправительственное соглашение между Россией и Германией о вхождении последней в Международный центр нейтронных исследований на базе реактора ПИК», — продолжает эксперт.
Установки класса «мегасайенс» во всем мире являются точкой притяжения молодых перспективных кадров. ПИК в этом смысле отнюдь не исключение.
Молодежи есть откуда узнать про этот проект. Сотрудники ПИЯФ преподают на профильных кафедрах в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ — один из важнейших участников национального проекта «Образование» и один из центров мирового уровня) и Санкт-Петербургском государственном политехническом университете — вузе-участнике «Проекта 5-100», вовлеченном в формирование сети национальных лидеров образования в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы». По инициативе президента НИЦ «Курчатовский институт» Михаила Валентиновича Ковальчука на физическом факультете СПбГУ создана кафедра ядерно-физических методов исследования. Реакторный комплекс станет базовой установкой для студентов этой кафедры.
Петру Ивановичу Конику, заместителю начальника отдела координации международных проектов НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, всего 28 лет. Кажется, совсем недавно он окончил по специальности «Физика» Санкт-Петербургский государственный университет. Теперь же его деятельность — разработка и оптимизация нейтроноводной системы реактора ПИК, а также обеспечение международного (главным образом российско-немецкого) сотрудничества в области использования возможностей реактора ПИК.
«Меня привлекает прикладная направленность как всего проекта в целом, так и моей собственной работы. Реактор ПИК ориентирован на решение практических задач, таких как разработка новых материалов, решение структур белковых молекул, исследование напряжений напряжение (в промышленных изделиях) — мера внутренних сил, возникающих в изделии, подвергнутом внешней деформации в промышленных изделиях. Мои собственные задачи в области оптимизации нейтронных пучков лежат на стыке науки и инженерного дела», — поясняет специалист.
Свою будущую карьеру физик уверенно связывает с проектом ПИК.
«В случае создания Международного центра нейтронных исследований на базе реактора ПИК Гатчина превратится в один из главных нейтронных городов мира, поэтому работа в НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ станет еще более привлекательной с точки зрения собственных научных задач и карьерных возможностей», — констатирует Коник.
ПИК — объект целевой поддержки со стороны государства, в частности, в рамках национального проекта «Наука».
Гатчинский реактор ПИК сегодня входит в федеральную программу развития синхротронно-нейтронных исследований синхротрон — циклическая установка для ускорения элементарных частиц до близкой к световой скорости; принцип действия основан на явлении резонанса; к синхротронам относится, например, Большой адронный коллайдер и «Нуклотрон» в ускорительном комплексе NICA и является одним из флагманских проектов уникальных научных мегаустановок в России, заключает ученый.
Федеральные проекты в сфере высшего образования включены в Национальный проект «Образование». Их цель — обеспечение глобальной конкурентоспособности российской высшей школы. «Молодые профессионалы» — проект, направленный на формирование сети национальных лидеров высшего образования.
Университеты-лидеры проведут обновление содержания образовательных программ за счет реализации проектов в ходе обучения, решения профессиональных задач (практико- и проектно-ориентированные программы) в кооперации с работодателями, а также обеспечат переход на модульное построение образовательных программ с включением «коротких» программ (адаптивность и гибкость). Со стороны государства будут обеспечены технологическая инфраструктура онлайн-обучения, нормативно-правовая база для использования онлайн-курсов и развития академической мобильности студентов. Также будут созданы условия для академической мобильности научно-педагогических работников (в первую очередь внутрироссийской) и поддержаны лучшие практики. Системным эффектом от реализованных мероприятий будет являться повышение востребованности выпускников образовательных организаций высшего образования на рынке труда.
НЕЙТРОННЫЙ СКАЛЬПЕЛЬ
А выглядело все так. Построили вышку, внутри которой шла труба. Бросали кусок плутония или урана вниз. Он пролетал мимо другого куска ядерного материала, и в это мгновение происходила вспышка, так как общая масса превышала критическую. Приборы регистрировали мощный поток нейтронов, которые так интересовали физиков Лос-Аламоса. Полученные столь экзотическим способом данные помогли американским физикам рассчитать параметры атомной бомбы.
Если можно получить однократную вспышку, почему бы не сделать целую серию?! Образно говоря, на самый верх вышки следовало бы посадить экспериментатора, который постоянно бросал бы вниз куски плутония или урана. Но так как желающих подниматься столь высоко среди физиков не оказалось, они придумали вращающийся диск, на котором закреплен плутоний. Вращаясь, он на мгновение оказывается рядом с покоящимся куском плутония, вот тут-то и возникает долгожданная вспышка.
К нашему разговору присоединился директор Лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка, доктор физико-математических наук Александр Владиславович Белушкин. Именно ему я задал главный интересующий меня вопрос:
— Скажите, а зачем все это нужно?
У Белушкина есть педагогический талант. К счастью, для меня… Он ответил так:
— … который все-таки дает представление о том, что вы делаете!
— А как осуществляются исследования на реакторе?
— Схема очень проста. В реакторе рождаются нейтроны. Затем формируется пучок нейтронов с нужной энергией. А дальше стоит исследуемый объект, куда и направляется нейтронный пучок.
— Будто нейтронный скальпель вонзается в материал?
— И какова главная цель таких исследований?
-А на каком уровне нейтронные исследования в других странах?
— Им необязательно знать все тонкости эксперимента?
— Вы хотите обслуживать представителей других наук?
— Слово «обслуживать» может кому-то не понравиться, но это не меняет сути дела. К примеру, биолог ставит нам задачу на своем «языке». Мы же должны дать ему «ответ», который был бы ему понятен. Тогда нейтронные исследования станут доступными и необходимыми, как магнитный резонанс в медицине. Если мы на своих установках будем проводить тысячи экспериментов, то работа станет экономически выгодной. Есть любопытные данные, полученные в Европе: цена публикации, в которой использовались нейтронные измерения, ниже цены тех публикаций, где речь шла о ядерном магнитном резонансе.
— Это свидетельствует об эффективности нейтронных исследований?
— Конечно. Хотя у нас установки дороже, но результативность выше, что удешевляет «конечную продукцию».
— Теперь и научные исследования приходится так оценивать?
— Мир становится таким: власть науки расширяется.
— И все-таки, вы сами ищете сегодня клиентов, или они толпятся у дверей вашей лаборатории?
— Установки у нас уникальные, а потому без работы мы не останемся… В общем, очередь к нам стоит. Количество предложений на эксперименты в три-четыре раза превышает наши возможности. У нас есть право выбора. Предложения проходят независимую международную экспертизу. Ну а затем мы составляем расписание экспериментов. Приезжают ученые из разных стран и совместно с нами ведут работы. В Объединенном институте ядерных исследований такая система существует давно.
— Но что-то все-таки изменилось?
— Сегодня ученые более требовательны к бытовым условиям. Необходим европейский уровень жизни, что мы не всегда можем предоставить. Замечено, что на чистом энтузиазме науку теперь уже не делают. Разумеется, еще встречаются фанатики, но их стало намного меньше, чем раньше.
— Конечно, за исключением ваших сотрудников?
— А необычные предложения есть?
— Да, и среди них много интересного. К примеру, к нам обращались представители немецкой фирмы по строительству автобанов. Им нужно было узнать, как именно твердеет цемент: зависит ли это от размеров частиц? Потом мне говорили, что эта работа помогла сэкономить фирме немало средств. Немецкие специалисты изучали у нас и так называемые эффекты усталости металла, чтобы увеличить продолжительность службы рельсов на железных дорогах. Подобных примеров множество. У немецких промышленников есть желание проводить эксперименты: они тратят на них небольшие деньги, а выгода огромная.
— Но ведь наши фирмы хотят конкурировать с западными, не так ли?
— Мы пока этого не ощущаем. К примеру, мы намеревались поставить совместные эксперименты с нашими космическими предприятиями. Для этого у нас идеальные условия. Однако партнеров так и не нашли. Создается впечатление, что у нас еще живут прошлым. А это неверно!
— Для вас будущее столь же очевидно, как и прошлое? Или прогнозировать на десятилетие в современной науке невозможно?
— За минувшие десять лет тематика исследований сильно изменилась, а следовательно, будущее на столь длительный срок предсказать нельзя.
— Что значит «сильно изменилась»?
— Тогда 80 процентов составляли физические исследования. На нашем поле не было биологов, геологов, других специалистов. Теперь ситуация коренным образом поменялась, стало больше прикладных работ, в том числе связанных с экологией. Мы изучаем ситуацию вокруг комбината «Маяк», определяем характер загрязнений. Кстати, наши данные показывают, что загрязнение ураном на Урале, к сожалению, произошло и за пределами восточноуральского радиоактивного следа.
— Нельзя привести еще пример по экологической тематике?
— Нейтронные методы позволяют следить за загрязнением окружающей среды не только радионуклидами, но и тяжелыми металлами. Например, если в образцах, собранных вокруг электростанции, повышено содержание ванадия, значит, котлы там топят мазутом. Экологи провели такое исследование в окрестностях Конаковской ГРЭС. Оспаривать наши данные практически невозможно, так как мы надежно определяем наличие в пробах до сорока металлов с уникально высокой точностью!
— Постепенно выходите в лидеры борьбы за чистоту природы?
— Это обязательно надо делать, потому что идет интенсивное загрязнение окружающей среды. Но мы работаем не только с экологами. Первые эксперименты проведены и на специализированных установках, которые предназначены для геологов, инженеров. Ничего подобного десять лет назад не было! Существовал стандартный нейтронный анализ, он применялся для узких целей, то есть использовался в «чистой» науке. Сейчас люди больше работают над решением практических задач. Думаю, в ближайшие годы области использования нейтронного излучения будут расширяться. Границ применения этих методов я не вижу.
— Не чувствуете себя «извозчиками»?
— Что вы имеете в виду?
— Но в Европе, как известно, АЭС закрываются, исследовательские реакторы и ускорители не строятся.
— Мы помогаем китайцам?
— Там традиционно нейтронные исследования ведутся на высоком уровне. Конкурентом для США становится Япония, так как поток заказов из Европы устремляется туда. Это беспокоит американцев, и они уже начали реализацию новых проектов в области нейтронных исследований.
— Вы имеете в виду Дубну?
— Конечно. А вы разве не согласны с этим?!
г. Дубна. Февраль 2004 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Основы физики
Сигнатуры, по которым нейтрон может быть обнаружен
Атомные и субатомные частицы обнаруживаются по сигнатуре, которую они создают при взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействия являются результатом фундаментальных характеристик частиц.
Классические варианты обнаружения нейтронов
В результате этих свойств обнаружение нейтронов делится на несколько основных категорий:
Типы нейтронных детекторов
Пропорциональные детекторы газа
Обычно необходимы дальнейшие уточнения, чтобы отличить нейтронный сигнал от воздействия других типов излучения. Поскольку энергия теплового нейтрона относительно мала, реакции с заряженными частицами являются дискретными (т. Е. По существу моноэнергетическими и лежат в узком диапазоне энергий), в то время как другие реакции, такие как гамма-реакции, будут охватывать широкий диапазон энергий, можно различать среди источники.
Детекторы ионизации газа как класс измеряют количество ( скорость счета ), а не энергию нейтронов.
Пропорциональные детекторы с газовым наполнением 3 He
Газонаполненные пропорциональные извещатели BF 3
Поскольку элементарный бор не является газообразным, нейтронные детекторы, содержащие бор, могут альтернативно использовать трифторид бора (BF 3 ), обогащенный до 96% бор-10 (природный бор составляет 20% 10 B, 80% 11 B). Трифторид бора очень токсичен. Чувствительность этого детектора составляет около 35-40 сПс / нВ, в то время как чувствительность покрытого бором составляет около 4 сП / нВ. Это связано с тем, что в футеровке бором n реагирует с бором и, следовательно, образует ионные пары внутри слоя. Следовательно, произведенные заряженные частицы (альфа и литий) теряют часть своей энергии внутри этого слоя. Заряженные частицы низкой энергии не могут достичь газовой среды ионизационной камеры. Следовательно, количество ионизаций, производимых в газе, также меньше.
В то время как в BF3, заполненном газом, N реагирует с B в газе. а полностью заряженные Альфа и Ли способны производить больше ионизаций и давать больше импульсов.
Пропорциональные детекторы с борной футеровкой
В качестве альтернативы, заполненные бором пропорциональные счетчики, заполненные газом, реагируют так же, как и пропорциональные детекторы BF 3, заполненные газом, за исключением того, что стенки покрыты 10 B. В этой конструкции, поскольку реакция происходит на поверхности, только один из две частицы попадут в пропорциональный счетчик.
Сцинтилляционные нейтронные детекторы
Сцинтилляционные детекторы нейтронов включают жидкие органические сцинтилляторы, кристаллы, пластмассы, стекло и сцинтилляционные волокна.
Сцинтилляционные детекторы из стекловолокна, чувствительные к нейтронам
Сцинтилляционные стеклянные волокна работают за счет включения 6 Li и Ce 3+ в объемную композицию стекла. 6 Li имеет высокое сечение поглощения тепловых нейтронов через 6 Li (п, & alpha ; ) реакции. Поглощение нейтронов производит ион трития, альфа-частицу и кинетическую энергию. Альфа-частица и тритон взаимодействуют со стеклянной матрицей, вызывая ионизацию, которая передает энергию ионам Ce 3+ и приводит к испусканию фотонов с длиной волны 390–600 нм, когда ионы Ce 3+ в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние. Событие приводит к вспышке света в несколько тысяч фотонов на каждый поглощенный нейтрон. Часть сцинтилляционного света распространяется через стекловолокно, которое действует как волновод. Концы волокон оптически соединены с парой фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) для обнаружения вспышек фотонов. Детекторы могут использоваться для обнаружения как нейтронов, так и гамма-лучей, которые обычно распознаются с помощью дискриминации по высоте импульса. Были предприняты значительные усилия и достигнут прогресс в снижении чувствительности волоконных детекторов к гамма-излучению. Оригинальные детекторы страдали от ложных нейтронов в гамма-поле 0,02 мР. Улучшения дизайна, процесса и алгоритма теперь позволяют работать в гамма-полях до 20 мР / ч ( 60 Co).
Детекторы с сцинтилляционным волокном обладают превосходной чувствительностью, прочностью и быстродействием (
LiCaAlF 6
LiCaAlF 6 представляет собой нейтронно-чувствительный неорганический сцинтилляторный кристалл, который, как и чувствительные к нейтронам сцинтилляционные детекторы из стекловолокна, использует захват нейтронов 6 Li. Однако, в отличие от сцинтилляционных детекторов из стекловолокна, 6 Li является частью кристаллической структуры сцинтиллятора, что придает ему естественную высокую плотность 6 Li. Добавляется легирующий агент, чтобы придать кристаллу его сцинтилляционные свойства. Двумя распространенными легирующими добавками являются трехвалентный церий и двухвалентный европий. LiCaAlF 6, легированный европием, имеет преимущество перед другими материалами, заключающееся в том, что количество оптических фотонов, генерируемых на нейтронный захват, составляет около 30 000, что в 5 раз выше, чем, например, в нейтронно-чувствительных сцинтилляционных стеклянных волокнах. Это свойство облегчает распознавание нейтронных фотонов. Благодаря высокой плотности 6 Li, этот материал подходит для производства легких компактных нейтронных детекторов, в результате чего LiCaAlF 6 использовался для обнаружения нейтронов на больших высотах в полетах на воздушных шарах. Большое время распада LiCaAlF 6, легированного Eu 2+, делает его менее подходящим для измерений в средах с высоким уровнем излучения. Вариант с легированным Ce 3+ имеет более короткое время распада, но страдает более низким световыходом.
Нейтрон-гамма-сцинтиллятор с двойным детектированием NaIL
Кристалл йодида натрия, совместно легированный таллием и литием [NaI (Tl + Li)], также известный как NaIL, обладает способностью обнаруживать гамма-излучение и тепловые нейтроны в монокристалле с исключительной дискриминацией формы импульса. Использование низких концентраций 6 Li в NaIL а большие толщины могут обеспечить те же возможности обнаружения нейтронов, что и детекторы 3He, CLYC или CLLB при более низкой стоимости. Совместное легирование 6 Li (с обогащением 95%) обеспечивает эффективное обнаружение тепловых нейтронов в наиболее известном сцинтилляторе гамма-излучения, сохраняя при этом благоприятные сцинтилляционные свойства стандартного NaI (Tl). NaIL может предоставить детекторы одиночного материала большого объема как для гамма-излучения, так и для нейтронов по низкой цене за объем.
Полупроводниковые детекторы нейтронов
Низкая эффективность планарных диодов с покрытием привела к разработке микроструктурированных полупроводниковых детекторов нейтронов (МСНД). Эти детекторы имеют микроскопические структуры, вытравленные на полупроводниковой подложке, которые впоследствии превращаются в штыревой диод. Микроструктуры засыпаны нейтронно-реактивным материалом, обычно 6 LiF, хотя использовалось 10 B. Увеличенная площадь поверхности полупроводника, прилегающая к реакционному материалу, и повышенная вероятность того, что продукт реакции попадет в полупроводник, значительно увеличивают собственную эффективность обнаружения нейтронов.
Полупроводниковые детекторы, в которых один или несколько составляющих атомов являются нейтронно-реактивными, называются объемными полупроводниковыми детекторами нейтронов. Объемные твердотельные нейтронные детекторы можно разделить на две основные категории: те, которые полагаются на обнаружение продуктов реакции с заряженными частицами, и те, которые полагаются на обнаружение мгновенного захвата гамма-излучения. В целом, этот тип нейтронного детектора сложно изготовить надежно, и в настоящее время он не коммерчески доступен.
Объемные материалы, которые зависят от эмиссии заряженных частиц, основаны на бор- и литийсодержащих полупроводниках. В поисках объемных полупроводниковых детекторов нейтронов материалы на основе бора, такие как BP, BAs, BN и B 4 C, исследовались больше, чем другие потенциальные материалы.
Полупроводники на основе бора в кубической форме трудно выращивать в виде объемных кристаллов, главным образом потому, что для их синтеза требуются высокие температуры и высокое давление. BP и Bas могут разлагаться на нежелательные кристаллические структуры (от кубической до икосаэдрической формы), если они не синтезируются под высоким давлением. B 4 C также образует икосаэдрические звенья в ромбоэдрической кристаллической структуре, что является нежелательным преобразованием, поскольку икосаэдрическая структура имеет относительно плохие свойства сбора заряда, что делает эти икосаэдрические формы непригодными для обнаружения нейтронов.
BN может быть образован в виде простых гексагональных, кубических (цинковая обманка) кристаллов или кристаллов вюрцита, в зависимости от температуры роста, и обычно его выращивают тонкопленочными методами. Это простая гексагональная форма BN, которая наиболее изучена в качестве детектора нейтронов. Методы химического осаждения тонких пленок из паровой фазы обычно используются для получения BP, BA, BN или B 4 C. Эти пленки на основе бора часто выращивают на подложках Si n-типа, которые могут образовывать pn переход с Si и, следовательно, изготовьте Si-диод с покрытием, как описано в начале этого раздела. Следовательно, нейтронный отклик устройства можно легко принять за общий отклик, когда на самом деле это отклик диода с покрытием. На сегодняшний день существует мало свидетельств того, что полупроводники на основе бора производят собственные нейтронные сигналы.
Детекторы нейтронной активации
Образцы активации могут быть помещены в нейтронное поле, чтобы охарактеризовать энергетический спектр и интенсивность нейтронов. Могут быть использованы реакции активации с различными энергетическими порогами, включая 56 Fe (n, p) 56 Mn, 27 Al (n, α) 24 Na, 93 Nb (n, 2n) 92m Nb и 28 Si (n, p) 28. Al.
Детекторы быстрых нейтронов
Быстрые нейтроны часто обнаруживаются путем их замедления (замедления) до тепловых энергий. Однако во время этого процесса информация об исходной энергии нейтрона, его направлении движения и времени испускания теряется. Для многих приложений очень желательно обнаружение «быстрых» нейтронов, которые сохраняют эту информацию.
Типичными детекторами быстрых нейтронов являются жидкие сцинтилляторы, детекторы благородных газов на основе 4-He и пластмассовые детекторы. Детекторы быстрых нейтронов отличаются друг от друга своей 1.) способностью различать нейтроны / гамма-излучения (посредством распознавания формы импульса) и 2.) чувствительностью. Детекторы 4-He на основе благородных газов обладают превосходной способностью различать нейтроны и гамма-излучение из-за их низкой плотности электронов и отличной способности различать форму импульса. Фактически, неорганические сцинтилляторы, такие как сульфид цинка, показали большие различия во времени затухания протонов и электронов; функция, которая была использована путем объединения неорганического кристалла с нейтронным преобразователем (таким как полиметилметакрилат) в микрослоистом детекторе быстрых нейтронов. Такие системы обнаружения способны выборочно обнаруживать только быстрые нейтроны в поле смешанного нейтронно-гамма-излучения, не требуя каких-либо дополнительных методов распознавания, таких как распознавание формы импульса.
Обнаружение быстрых нейтронов ставит ряд особых проблем. Направленный детектор быстрых нейтронов был разработан с использованием множественной отдачи протонов в разделенных плоскостях пластикового сцинтилляционного материала. Регистрируются пути ядер отдачи, образовавшихся при столкновении нейтронов; определение энергии и импульса двух ядер отдачи позволяет рассчитать направление движения и энергию нейтрона, испытавшего упругое рассеяние вместе с ними.
Приложения
Обнаружение нейтронов используется для различных целей. Каждое приложение предъявляет разные требования к системе обнаружения.
Экспериментальное обнаружение нейтронов
Проблемы обнаружения нейтронов в экспериментальной среде
Фоновый шум
Высокие показатели обнаружения
Если детектор находится в области высокой активности луча, на него непрерывно воздействуют нейтроны и фоновый шум с чрезвычайно высокой скоростью. Это запутывает собранные данные, поскольку измерения сильно перекрываются, и отдельные события нелегко отличить друг от друга. Таким образом, часть проблемы заключается в поддержании минимально возможной скорости обнаружения и в разработке детектора, который может не отставать от высоких скоростей для получения когерентных данных.
Нейтральность нейтронов
Нейтроны нейтральны и поэтому не реагируют на электрические поля. Это затрудняет направление их движения к детектору для облегчения обнаружения. Нейтроны также не ионизируют атомы, кроме как путем прямого столкновения, поэтому газовые детекторы ионизации неэффективны.
Изменение поведения в зависимости от энергии
Детекторы, основанные на поглощении нейтронов, обычно более чувствительны к тепловым нейтронам низких энергий и на несколько порядков менее чувствительны к нейтронам высоких энергий. С другой стороны, сцинтилляционные детекторы не могут регистрировать воздействие нейтронов низкой энергии.
Экспериментальная установка и метод
Отделение нейтронов от фотонов
Извлечение стробированных импульсов
Все сигналы ионизационного тока представляют собой импульсы с локальным пиком между ними. Используя логический элемент И в непрерывном времени (имеющий поток импульсов «1» и «0» в качестве одного входа и текущего сигнала в качестве другого), извлекается хвостовая часть каждого импульсного сигнала тока. Этот метод стробированной дискриминации регулярно используется в жидких сцинтилляторах. Блок стробированной задержки предназначен именно для этого и делает задержанную копию исходного сигнала таким образом, чтобы его хвостовая часть была видна рядом с основной частью на экране осциллографа.
После извлечения хвоста выполняется обычное интегрирование тока как для хвостовой части, так и для всего сигнала. Это дает два значения ионизации для каждого события, которые сохраняются в таблице событий в системе сбора данных.
Построение разницы
На этом этапе лежит решающий момент анализа: извлеченные значения ионизации наносятся на график. В частности, график отображает вклад энергии в хвосте по сравнению с вкладом энергии во всем сигнале для диапазона энергий нейтронов. Обычно для данной энергии существует много событий с одинаковым значением энергии хвоста. В этом случае нанесенные на график точки просто становятся более плотными с большим количеством перекрывающихся точек на двумерном графике, и, таким образом, их можно использовать для отслеживания количества событий, соответствующих каждому выделению энергии. На графике нанесена значительная случайная доля (1/30) всех событий.
Эффективность любого анализа обнаружения можно увидеть по его способности точно подсчитывать и разделять количество нейтронов и фотонов, попадающих в детектор. Кроме того, эффективность второго и третьего шагов показывает, можно ли управлять частотой событий в эксперименте. Если на вышеуказанных этапах можно получить четкие графики, позволяющие легко разделить нейтрон-фотон, обнаружение можно назвать эффективным, а скорость управляемой. С другой стороны, нечеткость и неразличимость точек данных не позволят легко разделить события.
Контроль скорости
Уровень обнаружения можно поддерживать на низком уровне многими способами. Выборку событий можно использовать для выбора только нескольких событий для анализа. Если скорости настолько высоки, что одно событие невозможно отличить от другого, можно изменять физические параметры эксперимента (экранирование, расстояние от детектора до цели, телесный угол и т. Д.), Чтобы получить самые низкие возможные скорости и, следовательно, различимые события.
Более точные точки обнаружения
Здесь важно наблюдать именно те переменные, которые имеют значение, поскольку на этом пути могут быть ложные индикаторы. Например, ионизационные токи могут иметь периодические сильные всплески, которые не предполагают высоких скоростей, а просто высоких энергозатрат для случайных событий. Эти всплески будут сведены в таблицу и будут рассматриваться с цинизмом, если они неоправданы, тем более что в установке так много фонового шума.
Хотя иногда этому способствуют более высокие энергии поступающих нейтронов, обнаружение нейтронов, как правило, является сложной задачей по всем причинам, изложенным ранее. Таким образом, улучшенная конструкция сцинтиллятора также находится на переднем плане и является предметом стремления с момента изобретения сцинтилляционных детекторов. Сцинтилляционные детекторы были изобретены Круксом в 1903 году, но не были очень эффективными до тех пор, пока в 1944 году Карран и Бейкер не разработали ФЭУ (фотоэлектронный умножитель). ФЭУ представляет собой надежный и эффективный метод обнаружения, поскольку он увеличивает сигнал обнаружения в десять раз. Несмотря на это, сцинтилляционная конструкция требует улучшений, как и другие варианты обнаружения нейтронов, помимо сцинтилляции.