Det e kce a spektrometrie neutron ů

1. 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

2. 1. pomaléneutrony 1a) aktivni detektory, reakce odražené jádro proton terč + neutron αčástice stěpné produkty Detektory používající reakce (B: 80% 3840 b E kinetická energie neutronů, malá, lze zanedbat hodta hodnota základní stav excitovaný stav

3. Detektory : (i) B problémy u stěn B 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

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

5. Detektory používající reakce Q= 4.78 MeV Triciumiα částice vždy v základním stavu, součet jejich energíí= signálnímu píku Detekce: scintilátory nebo polovodiče Např. lithium iodide LiI (Eu) , Eujako aktivátor, podobně jakoTl vNaI(Tl) krystal o tlouštce 10 mm je téměř 100 % účinný pro energie neutronů až po 0.5 eV.

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

7. Energie štěpných produktů z U, deponovaného na stěně

8. Fission cross section vs neutron energy

9. 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 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 z četnosti R ⟹ informace o toku

10. 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 , pak je vzorek vyjmut: Měření radioaktivity mezi , četnost rozpadů C ε účinnost registrace, B četnost pozadí neutronový tok

12. Výběr aktivačního materiálu podle účinného průřezu a energie neutronů

13. 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 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

14. 1c) Mechanické monochromátory (mechanické selectory) Princip: metoda doby letu slit Neutronový detektor • - několik kol s Cd, stejná vzdálenostl, namontované na společnou osu • v každém kole prázdná štěrbina , štěrbiny jsou pravidelně posunuty o úhelφ • rotace s úhlovou frekvencíω • posun o φv čase t= φ/ω • v čase t neutron urazí dráhu l s rychlostí v= l/t • v detektoru mají neutrony stejnou energii E= m,

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

16. 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 V rychlost těžiště Položíme = 1 Těžišťový systém (CM)

17. Kinetická energie 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

18. 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/dE Energetické rozdělení rozptýlených neutronů je konstantní Energetické rozdělení po druhém rozptylu

19. Obecný vztah pro energetické rozdělení po n rozptylech Pro charakteristiku rozptzlu se požívá veličina Lethargieu= ln Po jednom rozptylu do úhlu θθ≡ průměrné u(θ)

20. Průměrná letargie po jednom rozptylu je konstantní! Zpomalování od Moderátor uhlík: ξ = 0.158, tj. neutron s energií 1 MeV zpomalený na tepelnou energii 1/40 eV potřebuje ln (40 x /0.158 ≈ 111 srážek. Pro vodík ξ=1 je počet srážek ≈ 17.5

21. moderátor Detektor tepelných neutronůB tubes Rychlý neutron zpomalený a zachycený Rychlý neutron částečně zachycený a uniklý z moderátoru bez detekce Detektor tepelných neutronů Neutron zachycený moderátorem

22. 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

23. 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

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

25. Coincidence exists No coincidence

26. Konkurenční reakce: jednoduchý elastický rozptyl na jádře hélia účinný průřez >> (n.d) reakceproE >4.3. MeV

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

28. Detectory:

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

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

31. 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)

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

35. DETEKCE