Detekce a spektrometrie neutronů Pomalé neutrony a) aktivní detektory, b) pasivní detektory, c) mechanické monochromátory Rychlé neutrony a) detektory používající zpomalování neutronů b) přímá detekce reakcí rychlých neutronů c) detektory používající rozptyl neutronů 3. Relativistické neutrony kalorimetry

1. pomalé neutrony 1a) aktivni detektory, reakce odražené jádro proton terč + neutron → α částice stěpné produkty Detektory používající reakce (B: 80% 11 𝐵 , 20% 10 𝐵 , σ ≈1/𝑣 3840 b E kinetická energie neutronů, malá, lze zanedbat hodta hodnota základní stav excitovaný stav

Detektory : (i) B 𝑭 𝟑 𝒑𝒓𝒐𝒑𝒐𝒓𝒄𝒊𝒐𝒏á𝒍𝒏í 𝒕𝒓𝒖𝒃𝒊𝒄𝒆 , 𝑝𝑜𝑘𝑢𝑑 𝑑𝑜𝑏ěℎ 𝛼<𝑡𝑙𝑢š𝑡𝑘𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑢, 𝑠𝑖𝑔𝑛á𝑙 𝑜𝑑𝑝𝑜𝑣í𝑑á 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑖 𝛼 problémy u stěn B 𝐹 3 terč pro neutrony a současně proporcionální plyn Doběh α v tomto plynu ≈ 1 cm průměr anody 0.1 mm napětí 2000 – 3000 V Detekční účinnost rpo neutrony dopadající ve směru osy detektoru neutronový absorpční účinný průřez při energii E délka detektoru

(ii) Scintilátory dopované borem. např. 𝐵 2 𝑂 3 , tenké cca 1-2 mm Energetické spektrum α částic (ii) Scintilátory dopované borem. např. 𝐵 2 𝑂 3 , tenké cca 1-2 mm používané pro měření doby letu

Detektory používající reakce 6 𝐿𝑖 𝑝𝑜𝑢𝑧𝑒 7.4% 𝑣 𝐿𝑖 Q= 4.78 MeV Tricium i α částice vždy v základním stavu, součet jejich energíí= signálnímu píku Detekce: scintilátory nebo polovodiče Např. lithium iodide LiI (Eu) , Eu jako aktivátor, podobně jako Tl v NaI(Tl) krystal o tlouštce 10 mm je téměř 100 % účinný pro energie neutronů až po 0.5 eV.

Detektory používající reakce Q=0.764 MeV σ = 5330 b detektor : 3 𝐻𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛á𝑙𝑛í 𝑡𝑟𝑢𝑏𝑖𝑐𝑒 Detektory používající štěpení, Uran či plutonium, Q ≈ 200 MeV Produkty štěpení jsou téměř vždy α radioaktivní Signál od α částic ≪ od štěpných produktů dobrá separace signálů detektor: ionizační komora, jejíž stěny jsou pokryty štěpným materiálem

Energie štěpných produktů z U 𝑂 2 , deponovaného na stěně

Fission cross section vs neutron energy

1b) pasivní detektory, resp. aktivační fólie Tj. detekce neutronů z radioaktivity produkovaných jader , terč je ozářen neutrony po určitou dobu, pak je terč vyjmut a měří se radioaktivita vzniklých jader Měřená radioaktivita → 𝒎ěř𝒆𝒏í 𝒕𝒐𝒌𝒖 𝒂 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒆 𝒏𝒆𝒖𝒕𝒓𝒐𝒏ů Tlouštka terčů malá, aby se neměnil tok neutronů tenké fólie z terčového materiálu Aktivace a rozpady Aktivace: chceme určit tok neutronů R četnost neutronových interakcí, φ, tok neutronů zprůměrovaný přes plochu fólie, tok konstantní aktivační účinný průřez zprůměrovaný přes neutronové energetické spektrum n, počet jader v 1 𝑐𝑚 3 z četnosti R ⟹ informace o toku 𝝋

Rozpady: N celkový počet vzniklých radioaktivních jader v čase t R je konstantní λ = 1/τ v t=0 je N = 0 Aktivita A fólie: λN, ,saturační aktivita při t=∞ ozáření po dobu 𝑡 0 , pak je vzorek vyjmut: Měření radioaktivity mezi 𝑡 1 𝑎 𝑡 2 , četnost rozpadů C ε účinnost registrace, B četnost pozadí neutronový tok

Výběr aktivačního materiálu podle účinného průřezu a energie neutronů

Radioaktivita: β či γ, např. γ rozpad Jiné materiály, např. Mn, Ag, Cu.Co, kovové fólie, nebo dráty tepelné neutrony σ≈ 1/v, ale rezonance při vyšších energiích>1 𝑒𝑉 ale pozorované aktivity obvykle směs tepelných neutronů a energičtějších neutronů Separace: kadmium diferenciální metoda, σ(n +Cd) velký pro E<0.4 eV, pak prudký pokles tloušťka 0.5 mm působí jako selektivní filtr, tj blokuje termální neutrony ale propouští neutrony s E > 0.4 eV

1c) Mechanické monochromátory (mechanické selectory) Princip: metoda doby letu slit Neutronový detektor - několik kol 𝒌 𝟏 ,… 𝒌 𝒏 s Cd, stejná vzdálenost l, namontované na společnou osu v každém kole prázdná štěrbina , štěrbiny jsou pravidelně posunuty o úhel φ rotace s úhlovou frekvencí ω posun o φ v čase t= φ/ω v čase t neutron urazí dráhu l s rychlostí v= l/t v detektoru mají neutrony stejnou energii E= m 𝒗 𝟐 /𝟐,

2. Rychlé neutrony Detekce s použitím zpomalování neutronů Přímá detekce reakcí rychlých neutronů Detekce s použitím rozptylu neutronů

2a) Detekce s použitím zpomalování neutronů Zpomalování rychlých neutronů na energii pomalých neutronů v tzv. moderátorech a pak se použijí metody pro detekce pomalých resp. tepelných neutronů Použitelné pouze pro detekci, nikoliv pro měření energie Elastický rozptyl je základní mechanismus zpomalování neutronů, nerelativistická kinematika CM systém ≡𝑡ěž𝑖šť𝑜𝑣ý 𝑠𝑦𝑠𝑡é𝑚 V rychlost těžiště Položíme 𝑚 = 1 Těžišťový systém (CM)

E kinetická energie rozptýleného neutronu Scattering on protons, A=1 rozptyl na protonu Zpomalování je nejúčinnější na lehkých jádrech Energie odraženého jádra Nerelativistická aproximace kinetické energie odraženého jádra z kapitoly energetické ztráty (m hmotnost jádra, M primární částice

Energetické rozdělení rozptýlených neutronů předpoklad: izotropické rozdělení v těžišti ( platné pro E< 15 MeV) pravděpodobnost dw rozptylu do prostorového úhlu dΩ v těžišti CM Po prvém rozptylu d 𝑤 1 /dE Energetické rozdělení rozptýlených neutronů je konstantní Energetické rozdělení po druhém rozptylu

Obecný vztah pro energetické rozdělení po n rozptylech Pro charakteristiku rozptzlu se požívá veličina Lethargie u= ln 𝑬 𝟎 −𝒍𝒏 𝑬 Po jednom rozptylu do úhlu θ θ≡ 𝜽 𝒄𝒎𝒔 průměrné u(θ)

Průměrná letargie po jednom rozptylu je konstantní! Zpomalování od 𝐸 0 do 𝐸 ′ −𝑘𝑜𝑙𝑖𝑘 𝑠𝑟áž𝑒𝑘? Moderátor uhlík: ξ = 0.158, tj. neutron s energií 1 MeV zpomalený na tepelnou energii 1/40 eV potřebuje ln (40 x 10 6 ) /0.158 ≈ 111 srážek. Pro vodík ξ=1 je počet srážek ≈ 17.5

Detektor tepelných neutronů B 𝑭 𝟑 𝒕𝒓𝒖𝒃𝒊𝒄𝒆, 𝑳𝒊𝑰 𝒔𝒄𝒊𝒏𝒕𝒊𝒍á𝒕𝒐𝒓 𝟑 𝑯𝒆 tubes moderátor Detektor tepelných neutronů B 𝑭 𝟑 𝒕𝒓𝒖𝒃𝒊𝒄𝒆, 𝑳𝒊𝑰 𝒔𝒄𝒊𝒏𝒕𝒊𝒍á𝒕𝒐𝒓 𝟑 𝑯𝒆 tubes Rychlý neutron zpomalený a zachycený Rychlý neutron částečně zachycený a uniklý z moderátoru bez detekce Detektor tepelných neutronů Neutron zachycený moderátorem

Detektory rychlých neutronů Využití moderace na pomalé neutrony Plastické a kapalné scintilátory – zároveň detekce i moderace Bonnerovy koule: organický moderátor okolo neutronového detektoru tepelných neutronů Spektrometrie: Bonnerovy koule v NPL (Anglie) jejich využití ve spektrometrii různý průměr – moderace neutronů s různou maximální energií rekonstrukce spektra z naměřených četností z různě velikých koulí Simulace odezvy pomocí Monte Carlo programů Výhody: jednoduchost, široký energetický rozsah Nevýhody: Velmi malé energetické rozlišení

2b) Přímá detekce neelastických reakcí rychlých neutronů Zpomalování ⟹ -eliminuje informace o energii rzchlých neutronů - process je pomalý, není rychlá odezva detektoru Bez zpomalení ⟹ výhody: přímá detekce sekundárních produktů reakcí přímé měření energií produktů součet energií = počáteční energi neutronu rychlé signály nevýhody: účinný průřez je řádově menší než pro tepelné neutrony Dvě používané reakce v detektorech Jiné detektory: na principu aktivace

Detector: lithiový sandvičový spektrometr Reakce s 𝟔 𝑳𝒊 Detekce„: součet energií = pík vhodné pro střední energie, při větší energii konkurenční reakce pro E> 2.5 MeV, detekce: spojité rozdělení deponované energie Detector: lithiový sandvičový spektrometr Tenká vrstva fluoridu lithia umístěná mezi dvěma polovodičovými detektory. Při nízké energii oba produktz reakce letí proti sobě → koincidence obou detektorů

Coincidence exists No coincidence

𝟑 𝑯𝒆 𝒏𝒑 𝒓𝒆𝒂𝒌𝒄𝒆 Konkurenční reakce: jednoduchý elastický rozptyl na jádře hélia účinný průřez >> 𝟑 𝑯𝒆 𝒏𝒑 𝒓𝒆𝒂𝒌𝒄𝒆 (n.d) reakce pro E >4.3. MeV

Fast neutrons which lost energies in the external materials Elastic scattering (n.p) reaction

Detectory: 3 𝐻𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛á𝑙𝑛í 𝑝𝑜čí𝑡𝑎č𝑒 𝑖𝑜𝑛𝑜𝑧𝑎č𝑛í 𝑘𝑜𝑚𝑜𝑟𝑦 3 𝐻𝑒 𝑠𝑐𝑖𝑛𝑡𝑖𝑙á𝑡𝑜𝑟𝑦 3 𝐻𝑒 𝑠𝑎𝑛𝑑𝑣𝑖č𝑜𝑣é 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑦

Aktivační počítače pro rychlé neutrony a) Aktivační materiály pro pomalé neutrony (Ag, Rh) uvnitř moderátoru Polzethzlenový moderátor

Použití prahových aktivačních materiálů a přímá detekce rzchlých neutronů bez zpomalení Např. NaI scintilátor, který dodává jaádra Na a detekuje současně β a γ z jádra F

3c) Detektory s použitím elastického rozptylu Energie rozptýleného jádra E neutron jádro Φ (E) neutronový tok, E primární energie neutronů Měří se energetické spektrum For fixní primární energii E je spojitá: Počítačový program pro řešení rovnice vzhledem k Φ (E)

𝟒 𝑯𝒆

Neutronový spektrometr založený na odražených protonech 1) Detekce a určení energie Ep odražených protonu. ψ terč s velkým obsahem vodíku detektor protonů 2) využití znalosti úhlu odrazu ψ Široká škála využívaných detektorů s obsahem vodíku, scintilátory, proporcionální plynové počítače Vhodná velikost terče Přesnost určení úhlu Problémy:

DETEKCE