Нейтронные дозиметры: как работают и зачем нужны

Нейтронное излучение — один из самых опасных и коварных видов ионизирующего излучения. В отличие от гамма-, бета- и рентгеновских квантов, нейтроны не имеют электрического заряда (даже название их схоже: НЕЙТРальные с отличие от электронов и протонов) и взаимодействуют с веществом совершенно иначе. Они могут глубоко проникать в материалы, вызывать активацию атомов (выбивая из ядер заряженные частицы) и тем самым нанося значительный ущерб для живых существ. Нейтронное излучение возникает как при ядерных взрывах, так в ходе управляемых ядерных реакций.

Именно поэтому контроль нейтронного излучения является обязательным в ядерной промышленности, радиационных лабораториях, на ускорителях и в ряде промышленных производств.

Зачем измеряют нейтронное излучение

Источники нейтронов встречаются в следующих областях:

• 》ядерные реакторы и их инфраструктура;

• 》радиационно-технологические установки;

• 》ускорители частиц;

• 》медицинская нейтронная терапия;

• 》промышленные источники;

• 》лаборатории НДТ (неразрушающего контроля);

• 》места хранения радиоактивных материалов.

Нейтроны представляют особую опасность из-за высокой проникающей способности и того, что они эффективно повреждают биологические ткани. В системах радиационной безопасности их измеряют отдельно от других типов излучения. Актуальной задачей является высокая селективность, поскольку то же гамма-излучение может быт паразитным фоном, искажая результаты.

Отличие от гамма- и рентгеновского

Обычные дозиметры работают с фотонным излучением (гамма и рентген) или заряженными частицами (бета). Для них достаточно сцинтилляционных кристаллов, газоразрядных счётчиков или полупроводниковых датчиков.

Для нейтронов же такой вариант не подходит, потому что нейтроны:

• не имеют заряда,

• не создают ионизацию напрямую,

• взаимодействуют только через столкновения с ядрами атомов.

Нужны другие подходы, иные технологические решения. Поэтому нейтронные дозиметры используют двухступенчатый процесс — в большинстве случаев они сначала «превращают» нейтрон в заряженную частицу или фотон, а уже затем измеряют его обычным детектором.

Основные отличия нейтронных детекторов:

Какие детекторы используются

Современные приборы могут использовать несколько типов датчиков.

1. Газовые детекторы на основе He-3 или BF₃

Очень чувствительные радиационные сенсоры. Работают благодаря реакции захвата нейтрона ядром гелия-3 или бора-10. Используется например в портативных дозиметрах RadEye NL Thermo ™.

2. Сцинтилляционные пластики с водородом

Нейтрон сталкивается с ядром водорода → рождается протон → он даёт вспышку в сцинтилляторе → её регистрирует фотодетектор.

3. Твердотельные датчики + конвертеры

Полупроводниковый кремниевый сенсор покрыт слоем из Li-6, B-10 или других веществ, превращающих нейтроны в альфа-частицы.
То есть, как мы видим, без преобразования никак не обойтись, чтобы идентифицировать нейтронный поток.

Калибровка

Нейтронные поля сильно отличаются по энергии и спектру. Поэтому производители калибруют приборы на нескольких стандартных источниках:

• ✔️ Cf-252 (Калифорний-252) — источник быстрых нейтронов.

• ✔️ AmBe — источник смешанного спектра.

• ✔️ Моноэнергетические нейтроны (например, 16,5 МэВ) — получаются на ускорителях.

Чувствительность прибора указывается отдельно для каждой энергии нейтронов, о чем указывается в технических характеристиках.

Теперь немного более подробно, с физикой процесса. Сразу скажем, что источники производятся искусственно, поскольку не встречаются в природе. К счастью, период полураспада достаточно велик.

Cf-252 (Калифорний-252)

Это искусственный радиоактивный изотоп с периодом полураспада ≈ 2.65 года. Главная особенность — спонтанное деление, при котором испускаются нейтроны.

Использование:

• калибровка нейтронных дозиметров,

• лабораторные исследования,

• промышленные нейтронные генераторы,

• анализ состава материалов методом нейтронной активации.

Cf-252 — один из самых мощных компактных источников нейтронов в мире.

AmBe (Америций-Бериллий)

Смешанный источник, который состоит из радиоизотопа америций-241 (T₁/₂ ≈ 432 года) и металлического бериллия.

Механизм работы:

1. Am-241 испускает α-частицу.

2. Бериллий поглощает её.

3. Образуется возбужденное ядро C-12.

4. Оно испускает нейтрон.

AmBe удобен тем, что даёт устойчивый поток нейтронов разной энергии, похожий на многие промышленные нейтронные поля.