Нейтронні вимірювачі радіації: як працюють і навіщо потрібні

Нейтронне випромінювання — один із найнебезпечніших і підступних видів іонізуючого випромінювання. На відміну від гамма-, бета- та рентгенівських квантів, нейтрони не мають електричного заряду (навіть назва їх схоже: "нейтральні" на відміну від електронів і протонів) і взаємодіють з речовиною зовсім інакше. Вони можуть глибоко проникати у матеріали, викликати активацію атомів (вибиваючи з ядер заряджені частинки) і цим завдаючи значної шкоди живих істот. Нейтронне випромінювання виникає як при ядерних вибухах, так і в ході керованих ядерних реакцій.

Саме тому контроль нейтронного випромінювання є обов'язковим у ядерній промисловості, радіаційних лабораторіях, на прискорювачах та ряді промислових виробництв..

Навіщо вимірюють нейтронне випромінювання

Источники нейтронов встречаются в следующих областях:

• 》ядерні реактори та їх інфраструктура;

• 》радіаційно-технологічні установки;

• 》прискорювачі частинок;

• 》медична нейтронна терапія;

• 》промислові джерела;

• 》лабораторії НДТ (неруйнівного контролю);

• 》місця зберігання радіоактивних матеріалів.

Нейтрони становлять особливу небезпеку через високу проникаючу здатність і те, що вони ефективно ушкоджують біологічні тканини. У системах радіаційної безпеки їх вимірюють окремо з інших типів випромінювання. Актуальним завданням є висока селективність, оскільки те саме гамма-випромінювання може бути паразитним тлом, спотворюючи результати.

Відмінність від гамма- та рентгенівського

Звичайні прилади працюють з фотонним випромінюванням (гамма та рентген) або зарядженими частинками (бета). Для них достатньо сцинтиляційних кристалів, газорозрядних лічильників або напівпровідникових датчиків.

Для нейтронів такий варіант не підходить, тому що нейтрони:

• не мають заряду,
• не створюють іонізацію безпосередньо,
• взаємодіють лише через зіткнення з ядрами атомів.

Потрібні інші підходи, інші технологічні рішення. Тому нейтронні вимірювачі використовують двоступінчастий процес — у більшості випадків вони спочатку «перетворюють» нейтрон у заряджену частинку або фотон, а вже потім вимірюють його звичайним детектором.

Основні відмінності нейтронних детекторів:

Які детектори використовуються

Сучасні пристрої можуть використовувати кілька типів датчиків.

1. Газові детектори на основі He-3 або BF₃

Дуже чутливі радіаційні рецептори. Працюють завдяки реакції захоплення нейтрону ядром гелію-3 чи бору-10. Використовується, наприклад, у портативних вимірювачах радіації RadEye NL Thermo ™.

2. Сцинтиляційні пластики з воднем

Нейтрон стикається з ядром водню → народжується протон → він дає спалах у сцинтиляторі → її реєструє фотодетектор.

3. Твердотільні датчики + конвертери

Напівпровідниковий кремнієвий сенсор покритий шаром з Li-6, B-10 або інших речовин, що перетворюють нейтрони на альфа-частинки.
Тобто, як бачимо, без перетворення не обійтися, щоб ідентифікувати нейтронний потік.

Калібрування

Нейтронні поля сильно відрізняються за енергією та спектром. Тому виробники калібрують прилади на кількох стандартних джерелах.:

• ✔️ Cf-252 (Каліфорній-252) — джерело швидких нейтронів.

• ✔️ AmBe — джерело змішаного спектру.

• ✔️ Моноенергетичні нейтрони (наприклад, 16,5 МеВ) — виходять на прискорювачах.

Чутливість приладу вказується окремо для кожної енергії нейтронів, про що вказується в технічних характеристиках.

Тепер трохи докладніше, з фізикою процесу. Відразу скажемо, що джерела виробляються штучно, оскільки не зустрічаються у природі. На щастя, період напіврозпаду досить великий.

Cf-252 (Каліфорній-252)

Це штучний радіоактивний ізотоп із періодом напіврозпаду ≈ 2.65 року. Головна особливість — спонтанний поділ, при якому випускаються нейтрони.

Використання:

• калібрування нейтронних приладів для вимірювання радіації,

• лабораторні дослідження,

• промислові нейтронні генератори,

• аналіз складу матеріалів методом нейтронної активації.

Cf-252 — одне з найпотужніших компактних джерел нейтронів у світі.

AmBe (Амеріцій-Берілій)

Змішане джерело, що складається з радіоізотопу америцій-241 (T₁/₂ ≈ 432 роки) та металевого берилію.

Механізм роботи:

1. Am-241 випускає α-частку.

2. Берілій поглинає її.

3. Утворюється збуджене ядро C-12.

4. Воно випромінює нейтрон.

AmBe зручний тим, що дає стійкий потік нейтронів різної енергії, схожий на багато промислових нейтронних полів.