Detección de neutrones

La detección de neutrones es la detección efectiva de neutrones que ingresan a un detector . Hay dos aspectos de la detección de neutrones efectiva: el aspecto del hardware ( hardware ) y el aspecto del software ( software ). El equipo de detección se refiere al tipo de detector utilizado (con mayor frecuencia un detector de centelleo ) y la electrónica asociada a él. Por otro lado, el montaje del material también define los parámetros experimentales, como la distancia entre la fuente y el detector o el ángulo sólido.del detector. Los software de detección son herramientas analíticas que realizan tareas como el análisis gráfico para medir el número y la energía de los neutrones que ingresan al detector.

Base física de la detección de neutrones

Firmas de neutrones

Las partículas atómicas y subatómicas se detectan por la firma que producen al interactuar con su entorno. Estas interacciones resultan de sus características fundamentales:

carga : los neutrones son partículas neutras y no provocan ionización directa; por tanto, son más difíciles de detectar directamente que las partículas cargadas. Además, su trayectoria no está influenciada por campos eléctricos o magnéticos ;
masa : la masa del neutrón, 1.008 664 916 00 (43) u , no es directamente detectable, pero influye en las reacciones que permiten la detección de neutrones;
reacciones: los neutrones interactúan con muchos materiales por dispersión elástica , produciendo retroceso del núcleo , por dispersión inelástica , excitando el núcleo, o por absorción acompañada de transmutación del núcleo. La mayoría de los métodos de detección se basan en la detección de diferentes productos de reacción;
momento magnético : aunque los neutrones tienen un momento magnético de −1,913 042 72 (45) μ N , las técnicas de detección de momento magnético no son lo suficientemente sensibles como para ser utilizadas en la detección de neutrones;
dipolo electrostático : aunque se predijo, aún no se ha detectado el dipolo electrostático del neutrón. Por tanto, no es una firma utilizable;
Decaimiento : fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de 880,3 (11) s (aproximadamente 14 minutos y 40 segundos). Los neutrones libres se desintegran emitiendo un protón , un electrón y un electrón antineutrino , según el proceso de desintegración β :

{\ Displaystyle n \ longleftrightarrow p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}

Aunque es posible detectar los electrones y protones producidos por la desintegración de neutrones, la tasa de desintegración es en la práctica demasiado baja para ser utilizada para la detección de neutrones.

Detecciones de neutrones convencionales

Según estas propiedades, los métodos de detección de neutrones se dividen en algunas categorías principales:

Reacciones de absorción rápida: los neutrones de baja energía generalmente se detectan indirectamente mediante reacciones de absorción. Los materiales normalmente utilizados son los isótopos que tienen una gran sección transversal de absorción de neutrones, tales como 3 Él , 6 Li , 10 B y 235 U . Cada uno de estos isótopos reacciona con neutrones emitiendo partículas ionizadas de alta energía, cuya trayectoria de ionización puede detectarse. Entre las reacciones utilizadas, destacamos:
- n + 3 He → 3 H + 1 H;
- 6 Li (n, α) → 3 H;
- n + 10 B → 7 Li + α;
- la fisión del uranio 235 U + n → 236 U → X + Y + kn;
proceso de activación: los neutrones pueden detectarse al ser absorbidos por captura, espalación o una reacción similar, con productos de reacción que luego se descomponen, emitiendo partículas β o rayos γ . Ciertos materiales ( indio , oro , rodio , hierro ( 56 Fe (n, p) → 56 Mn), aluminio ( 27 Al (n, α) → 24 Na), niobio ( 93 Nb (n, 2n) → 52 Nb) y el silicio ( 28 Si (n, p) → 28 Al)) tienen una sección transversal muy grande para la captura de neutrones en un rango de energía estrecho. El uso de varios materiales absorbentes permite la caracterización del espectro energético de los neutrones. La activación también permite la reconstitución de la exposición pasada a neutrones (por ejemplo, la reconstitución de exposiciones a neutrones durante un accidente de criticidad );
Reacciones de dispersión elástica ("retroceso del protón"): los neutrones de alta energía generalmente se detectan indirectamente mediante reacciones de dispersión elástica. Los neutrones chocan con los núcleos de los átomos en el detector, transfiriendo energía a los núcleos y creando iones, que son detectados. Dado que la máxima transferencia de energía tiene lugar cuando la masa del átomo en colisión es comparable a la del neutrón, los materiales que contienen hidrógeno (como agua o plástico) se utilizan a menudo para tales detectores.

Tipos de detectores de neutrones

Detectores de gas proporcionales

Se pueden utilizar detectores de ionización de gas proporcionales para detectar neutrones. Aunque los neutrones no causan ionización directamente, la adición de un nucleido con una gran sección transversal nuclear permite que el detector reaccione a los neutrones. Los nucleidos generalmente utilizados para este fin son: 10 B, 235 U y 3 He. Como estos materiales interactúan con mayor frecuencia con los neutrones térmicos , están rodeados de materiales de moderación (o termalización ).

Se deben tener en cuenta otros efectos para aislar la señal de neutrones de otros tipos de radiación. Las energías de las reacciones debidas a los neutrones son discretas, mientras que las debidas a los rayos γ, por ejemplo, se distribuyen en una amplia banda de energía, lo que permite detectar solo neutrones.

Los detectores de ionización de gas miden la cantidad de neutrones, no su energía.

Existen varios tipos de detectores de gas proporcionales:

Detectores 3 He: el isótopo 3 He del helio es un material particularmente eficaz para la detección de neutrones, ya que el 3 He reacciona absorbiendo neutrones térmicos, emitiendo 1 H y 3 H. Su sensibilidad a los rayos γ es insignificante, lo que detector de neutrones ampliamente utilizado. Sin embargo, los recursos de 3 He son limitados y se obtienen como un subproducto de la desintegración del tritio (que tiene una vida media de 12,3 años);
Detectores BF 3 : como el elemento boro no es gaseoso, los detectores de neutrones basados en boro pueden utilizar trifluoruro de boro (BF 3 ) enriquecido al 96% de 10 B (el boro natural contiene aproximadamente el 20% de 10 B y el 80% de 11 B);
Los detectores de boro se comportan de manera similar a los detectores proporcionales a BF 3 . La diferencia es que las paredes del detector están recubiertas con 10 B. Dado que la reacción solo tiene lugar en una superficie, solo se detecta una de las dos partículas emitidas por la reacción.

Detectores de centelleo

Los detectores de neutrones de centelleo pueden basarse en centelleadores orgánicos (líquidos o cristalinos ), centelleadores inorgánicos , plásticos y fibras de centelleo.

Detectores de neutrones basados en semiconductores

Los semiconductores se han utilizado para detectar neutrones.

Detectores activados por neutrones

Los materiales activadores se pueden colocar en un campo de neutrones para caracterizar su espectro e intensidad de energía. Se pueden utilizar reacciones de activación con varios umbrales de activación ( 56 Fe (n, p) → 56 Mn, 27 Al (n, α) → 24 Na, 93 Nb (n, 2n) → 52 Nb, 28 Si (n, p) → 28 Al).

Detectores de neutrones rápidos

La detección de neutrones rápidos plantea ciertos problemas. Se ha desarrollado un detector direccional de neutrones rápidos utilizando múltiples retrocesos de protones en planos separados de un material de centelleo plástico. Se registra la trayectoria de los núcleos de retroceso creados por las colisiones de neutrones; la determinación de la energía y el momento angular de dos núcleos de retroceso permite calcular la dirección y la energía del neutrón incidente.

Aplicaciones

La detección de neutrones tiene varios campos de aplicación. Cada aplicación requiere diferentes sistemas de detección.

Instrumentación del reactor: dado que la potencia de un reactor es linealmente proporcional al flujo de neutrones, los detectores de neutrones proporcionan una medida importante de potencia en los reactores nucleares y de investigación. El reactor de agua hirviendo puede tener decenas de detectores de neutrones. La mayoría de los detectores de neutrones utilizados en los reactores nucleares de neutrones térmicos están especialmente optimizados para la detección de neutrones térmicos.
Física de partículas : se ha propuesto la detección de neutrones para mejorar el rendimiento de los observatorios de neutrinos .
Ciencia de los materiales : la dispersión de neutrones elástica e inelástica permite la caracterización de la estructura de los materiales en escalas de longitud que van desde unos pocos ångströms hasta unos pocos micrómetros .
Protección radiológica : Los neutrones son radiaciones peligrosas que se encuentran en fuentes de neutrones, durante vuelos, en aceleradores de partículas y en reactores nucleares. Los detectores de neutrones utilizados para la protección radiológica deben tener en cuenta la acción biológica relativa (cómo el daño creado por los neutrones varía con su energía).
Detección de rayos cósmicos : se producen neutrones secundarios en lluvias atmosféricas . Los detectores de neutrones se utilizan para registrar cambios en el flujo de rayos cósmicos.
Detección de materiales fisionables : algunos materiales nucleares especiales como el 233 U y el 239 Pu se desintegran por fisión espontánea , emitiendo neutrones. El uso de detectores de neutrones permite identificar estos materiales.

Referencias

(fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado “ Detección de neutrones ” ( ver la lista de autores ) .

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Ver también