Detectori cu semiconductori pentru neutroni

Detectori cu semiconductori pentru neutroni

Neavand sarcina electrica, neutronii nu produc ionizari la trecerea lor prin substanta. Pentru detectia lor se utilizeaza o metoda indirecta: se detecteaza particulele incarcate emise in urma unei reactii nucleare induse de neutroni.

DS pentru neutroni este format dintr-un DS pentru particule incarcate (de obicei cu strat bariera la suprafata) pe a carui fata frontala (fereastra de intrare) este depus un strat subtire dintr-un material bogat in hidrogen, sau o pelicula convertoare de material continand unul din izotopii ¹⁰B, ⁶Li sau nuclee fisile ²³⁹_n+Pu, ²³⁵_n+U etc. In fig. 2.42 este prezentata o sectiune printr-un detector semiconductor pentru neutroni. Produsele de reactie sunt astfel detectate intr-o geometrie 2π. Materialele care fac conversia neutron-particula incarcata nu pot fi introduse in volumul semiconductorului pentru ca gradul de impuritati admisibil este foarte mic.

In cazul detectarii neutronilor trebuie avut in vedere ca eficacitatea de detectie depinde de sectiunea eficace a reactiei de convertire folosita, care la randul ei depinde atat de energia initiala a neutronilor cat si de grosimea stratului convertor care trebuie sa fie cel putin egala cu parcursul celui mai penetrant produs al reactiei utilizate.

Astfel in reactia ¹⁰B(n,α)⁷Li cel mai penetrant produs este particula α, pe cand in reactia ⁶Li(n,α)³H este tritonul. Aceste doua reactii exoenergetice sunt adesea folosite pentru detectia neutronilor termici. Tot pentru detectia neutronilor termici pot fi folosite si reactiile de fisiune n+²³⁹Pu sau n+²³⁵U care dau fragmente de fisiune de energie mare, dar cu parcurs mic in Si.

Pentru neutronii rapizi se folosesc reactiile de fisiune n+²³⁸U, n+²³²Th, etc. care au loc pentru neutroni de energie E_n 1MeV.

Fig. 2.42 Sectiune printr-un detector semiconductor pentru neutroni

Toate elementele acestea au insa si o radioactivitate α naturala, deci dau un fond continuu chiar in absenta neutronilor. Datorita faptului ca energia fragmentelor de fisiune este cu mult mai mare decat energia particulelor α, fondul α permanent se poate anula usor printr-o discriminare dupa amplitudini a impulsurilor date de detector.

O detectie mai eficienta a neutronilor rapizi se face insa folosind procesul de difuzie elastica pe protoni (n, p). Toti protonii de recul dintr-un strat de material bogat in hidrogen sunt difuzati inainte. Energia maxima a spectrului continuu de protoni este egala cu energia neutronilor incidenti. O alta metoda de detectie a neutronilor rapizi consta in termalizarea prealabila a lor cu ajutorul parafinei, fiind apoi detectati cu convertori pentru neutroni lenti (⁶Li,¹⁰B). In acest caz detectorii de neutroni sunt inconjurati cu parafina.

Detectorii de neutroni descrisi pana in prezent, lucreaza in regim nespectrometric deoarece ei inregistreaza numai produsii de reactie rezultati in unghiul solid egal cu 2π. Pentru detectia spectrometrica, adica inregistrarea integrala a produsilor de reactie se foloseste o geometrie 4π care consta din doi detectori cu semiconductori apropiati avand intre ei stratul convertor (de exemplu ⁶LiF) intr-o geometrie 'sandwich' (Fig. 2.43).

Fig. 2.43 Sectiune printr-un ansamblu de detectie

spectrometrica a neutronilor tip 'sandwich'

In acest caz cei doi detectori inregistreaza integral produsii de reactie generand la iesire un puls egal cu suma pulsurilor celor doi detectori. Amplitudinea impulsului astfel obtinut este proportionala cu E_n+Q unde E_n este energia cinetica a neutronilor, iar Q energia reactiei. Cu cat energia de reactie Q este mai mare cu atat separarea pulsului neutronilor de cele provenite din fond este mai buna.

In particular, acest fond provine, la detectia neutronilor rapizi (E_n>3MeV) cu detectori de siliciu si din urmatoarele reactii:

Abundenta izotopica a ²⁹Si este mica (4,7%) comparativ cu cea a ²⁸Si (92%) fapt pentru care ultima reactie poate fi neglijata. Primele doua reactii genereaza insa un fond destul de mare pentru E_n=6-8MeV. Acesta poate fi inlaturat partial daca se lucreaza in coincidenta.

Masurarea simultana a spectrului util si a fondului se poate realiza cu detectori de constructie speciala.

Fig. 2.44 Detector dublu pentru spectroscopia de neutroni rapizi

In fig. 2.44 este schitat un astfel de detector special numit 'detector dublu'. Principiul de constructie al acestuia este urmatorul. Pe un disc din Si de tip n cu ρ~1500 Ω.cm avand diametrul de 2cm, s-au construit doi detectori cu strat bariera la suprafata, evaporand Au printr-o masca in forma de semicerc. Distanta intre cei doi detectori este de ~1mm. Pe suprafata unuia din detectori se depune o pelicula de polietilena, material bogat in hidrogen, de grosime 0,5-1mg/cm². Prin reactia de imprastiere elastica (n, p) cu acest detector se inregistreaza spectrul total, iar cu celalalt detector care are forma tot de semicerc dar fara polietilena, se masoara fondul, realizandu-se astfel o masurare simultana a fondului si a efectului neutronilor.

Rezolutia energetica a detectorilor cu neutroni este cu atat mai buna cu cat grosimea stratului convertor este mai mica; in schimb eficacitatea de detectie scade in acest caz. In practica se cauta solutii de compromis intre cele doua aspecte.