중성자 검출

Neutron detection
중성자를 이용한 과학
Quark structure neutron.svg
기초
중성자 산란
기타 응용 프로그램
사회 기반 시설
중성자 시설

중성자 검출은 적절한 위치에 있는 검출기에 들어가는 중성자를 효과적으로 검출하는 것이다.효과적인 중성자 검출에는 하드웨어와 소프트웨어라는 두 가지 중요한 측면이 있다.검출 하드웨어는 사용된 중성자 검출기의 종류(현재 가장 일반적인 것은 섬광 검출기)와 검출 설정에 사용된 전자장치를 말한다.또한 하드웨어 설정은 선원-검출기 거리, 입체 각도 및 검출기 차폐와 같은 핵심 실험 매개변수를 정의한다.검출 소프트웨어는 검출기에 부딪히는 중성자의 수와 에너지를 측정하기 위해 그래픽 분석과 같은 작업을 수행하는 분석 도구로 구성된다.

기초 물리학

중성자가 검출될 가능성이 있는 시그니처

원자 입자와 아원자 입자는 주위와의 상호작용을 통해 생성되는 시그니처에 의해 검출된다.이러한 상호작용은 입자의 기본 특성에서 비롯됩니다.

  • 전하: 중성자는 중성 입자로 직접 이온화되지 않습니다.따라서 중성자는 직접 검출하는 것이 하전 입자보다 어렵습니다.게다가, 그들의 운동 경로는 전기장과 자기장의 영향을 약하게 받는다.
  • 질량 : 1.0086649156(6)u의[1] 중성자 질량은 직접 검출할 수 없지만 검출할 수 있는 반응에 영향을 준다.
  • 반응:중성자는 반동핵을 생성하는 탄성 산란, 들뜬 핵을 생성하는 비탄성 산란 또는 결과 핵의 변환에 의한 흡수를 통해 많은 물질과 반응한다.대부분의 검출 방법은 다양한 반응 생성물 검출에 의존합니다.
  • 자기 모멘트:중성자는 -1.9130427(5)μ의N 자기모멘트를 가지지만 자기모멘트를 검출하는 기술은 중성자 검출에 사용하기에는 너무 둔감하다.
  • 전기 쌍극자 모멘트:중성자는 아직 감지되지 않은 아주 작은 전기 쌍극자 모멘트를 가질 것으로 예측된다.따라서 실행 가능한 탐지 시그니처가 아닙니다.
  • 붕괴:핵 밖에서 자유 중성자는 불안정하며 평균 수명은 885.7±0.8초(약 14분 46초)[1]이다.자유 중성자는 전자와 전자 반중성자의 방출에 의해 붕괴되어 양성자가 된다.이 과정은 [2]베타 붕괴라고 알려져 있다.

n0
 → p+
 + e−
 + ν
e 。
중성자 붕괴에 의해 생성된 p와+
−
e는 검출 가능하지만, 붕괴 속도가 너무 낮아서 실제 검출기 시스템의 기초가 될 수 없다.

기존 중성자 검출 옵션

이러한 특성으로 인해 중성자 검출은 몇 가지 주요 [3]범주로 분류된다.

  • 신속한 반응을 수반하는 흡수 반응 - 낮은 에너지 중성자는 일반적으로 흡수 반응을 통해 간접적으로 검출된다.사용되는 대표적인 흡수체 재료는 중성자 흡수를 위한 높은 단면을 가지며 헬륨-3, 리튬-6, 붕소-10 및 우라늄-235를 포함한다.이들 각각은 고에너지 이온화 입자의 방출에 의해 반응하며, 이온화 궤적은 다수의 수단으로 검출할 수 있다.일반적으로 사용되는 반응으로는 He(n,p) H, Li(n,t) He, B(n,α) Li, 우라늄 [3]핵분열 등이 있다.
  • 활성화 과정 - 중성자는 방사능 포획, 파쇄 또는 유사한 반응으로 흡수제와 반응하여 검출될 수 있으며, 반응 생성물은 나중에 부패하여 베타 입자 또는 감마스를 방출합니다.선택된 재료(예를 들어 인듐, 금, 로듐, 철(56Fe(n,p) Mn), 알루미늄(27Al(n,α)24 Na), 니오브(93Nb(n,2n) Nb) 및 실리콘(28Si(n,p) Al))은 매우 좁은 에너지 대역 내에서 중성자를 포획하기 위한 단면이 매우 크다.다중 흡수체 샘플을 사용하면 중성자 에너지 스펙트럼의 특성을 파악할 수 있다.활성화는 또한 과거 중성자 피폭의 재구성을 가능하게 한다(예: 우발적 임계 [3]중 중성자 피폭의 법의학적 재구성).
  • 탄성 산란 반응(양성자-리코일이라고도 함) - 고에너지 중성자는 일반적으로 탄성 산란 반응을 통해 간접적으로 검출된다.중성자는 검출기에 있는 원자의 핵과 충돌하여 에너지를 그 핵으로 전달하고 검출된 이온을 생성한다.에너지의 최대 전달은 중성자가 충돌하는 원자의 질량이 중성자 질량과 비슷할 때 발생하기 때문에 수소성[4] 물질은 종종 그러한 [3]검출기에 선호되는 매체이다.

중성자 검출기의 종류

가스 비례 검출기

가스 비례 검출기는 중성자를 검출하기 위해 개조될 수 있다.중성자는 일반적으로 이온화를 일으키지 않지만 중성자 단면이 높은 핵종을 추가하면 검출기가 중성자에 반응할 수 있다.이러한 목적으로 일반적으로 사용되는 핵종은 헬륨-3, 리튬-6, 붕소-10 및 우라늄-235이다.이러한 물질은 열 중성자(주변과 평형을 이루도록 느려진 중성자)와 반응할 가능성이 가장 높기 때문에 일반적으로 에너지를 줄이고 검출 가능성을 높이기 위해 조절 물질로 둘러싸여 있다.

중성자 신호를 다른 유형의 방사선의 영향과 구별하려면 추가 개선이 필요하다.열 중성자의 에너지가 상대적으로 낮기 때문에, 하전 입자 반응은 분리된 반면(즉, 단일 에너지이며 에너지의 좁은 대역폭 내에 있음) 감마 반응과 같은 다른 반응은 광범위한 에너지 범위에 걸쳐 있으므로 선원을 구별할 수 있다.

가스 이온화 검출기는 중성자의 에너지가 아닌 수(계수율)를 측정합니다.

3가스를 채운 비례 탐지기를 가지고

헬륨-3은 열 중성자를 흡수하여 H와 H 이온을 생성함으로써 반응하기 때문에 효과적인 중성자 검출 물질이다.감마선에 대한 민감도는 무시할 수 있어 매우 유용한 중성자 검출기를 제공한다.불행하게도, He의 공급은 삼중수소 붕괴의 부산물로서 (12.3년의 반감기를 가진다) 생산으로 제한된다. 삼중수소는 핵무기 촉진제 또는 원자로 운영의 부산물로 무기 프로그램의 일부로 생산된다.

BF3 가스 충전 비례 검출기

붕소는 기체가 아니기 때문에 붕소를 함유하는 중성자 검출기는 96% 붕소-10(천연 붕소는 20%, [5]B는 80%)으로 농축된 삼불화붕소(BF3)를 교대로 사용할 수 있다.삼불화붕소는 독성이 강하다.이 검출기의 감도는 약 35-40 CPS/nv인[definition needed] 반면, 붕소 라이닝 검출기의 감도는 약 4 CPS/nv이다.이는 붕소 라이닝에서 n이 붕소와 반응하여 층 내부에서 이온 쌍을 생성하기 때문입니다.따라서 생성된 하전 입자(Alpha 및 Li)는 그 층 내에서 에너지의 일부를 잃게 됩니다.저에너지 하전 입자는 이온화 챔버의 가스 환경에 도달할 수 없습니다.따라서 가스에서 발생하는 이온화 횟수도 감소한다.

반면 BF3 가스는 채워진 반면, N은 가스에서 B와 반응하며, 완전 에너지 알파와 Li는 더 많은 이온화를 생성하고 더 많은 펄스를 줄 수 있다.

붕소 라이닝 비례 검출기

또는 붕소 라이닝 가스 충전 비례 카운터는 벽면이 B로 코팅된 것을 제외하고 BF3 가스 충전 비례 검출기와 유사하게 반응한다.이 설계에서는 표면에서 반응이 일어나기 때문에 두 입자 중 하나만 비례 카운터로 빠져나갑니다.

섬광 중성자 검출기

섬광 중성자 검출기에는 액체 유기 섬광기,[6] 결정,[7][8] 플라스틱, 유리[9] 및 섬광 [10]섬유가 포함된다.

중성자 감수성 섬광 유리 섬유 검출기

중성자 검출을 위한 섬광 Li 유리는 1957년 과학[11] 문헌에 처음 보고되었으며, 1960년대와 1970년대에 [12][13]주요 발전이 이루어졌다.섬광섬유는 1987년[14] 앳킨슨 M. 등에 의해 입증되었으며, 1980년대 후반과 1990년대 초반에 태평양 북서부 국립 연구소에서 주요 발전이 이루어졌으며, 이 연구소는 기밀 [15][16][17][18][19]기술로 개발되었다.1994년에 기밀 해제되었고 1997년에 옥스포드 인스트루먼트에 의해 처음 면허를 받았고,[20][21][22] 1999년에 Nucsafe로 이전했습니다.섬유 및 섬유 검출기는 현재 Nucsafe, Inc.[23]에 의해 제조 및 판매되고 있습니다.

섬광 유리섬유는 유리 벌크 조성에3+ Li와 Ce를 포함시킴으로써 작동합니다.Li는 Li(n,α) 반응을 통한 열 중성자 흡수에 대한 높은 단면을 가지고 있다.중성자 흡수는 삼중수소 이온, 알파 입자, 운동 에너지를 생성한다.알파 입자와 트리톤은 유리 매트릭스와 상호작용하여 이온화를 생성하며, 이 이온화는 에너지를 Ce 이온으로3+ 전달하고 들뜬3+ 상태의 Ce 이온이 지면 상태로 돌아가면서 파장 390 nm - 600 nm의 광자를 방출한다.그 결과 흡수된 중성자마다 수천 광자의 섬광이 발생한다.섬광의 일부는 도파관 역할을 하는 유리섬유를 통해 전파된다.광자 버스트를 검출하기 위해서, 광섬유 단부는 광전자 증배관(PMT) 쌍에 광학적으로 결합된다.검출기를 사용하여 중성자와 감마선을 검출할 수 있으며, 이는 일반적으로 펄스 높이 식별을 사용하여 구별된다.감마선에 대한 섬유 검출기 민감도를 감소시키기 위한 상당한 노력과 진전이 이루어졌다.원래 검출기는 0.02mR 감마장에서 거짓 중성자로 고생했다.설계, 프로세스 및 알고리즘의 개선을 통해 최대 20mR/60h(Co)의 감마장에서의 연산이 가능하게 되었다.

섬광섬유 검출기는 뛰어난 감도를 가지며 견고하며 계수 속도의 큰 동적 범위가 가능하도록 타이밍(~60 ns)이 빠르다.검출기는 원하는 형태로 형성될 수 있으며 다양한 [24]용도로 사용하기 위해 매우 크거나 매우 작게 만들 수 있다는 장점이 있다.또한 He 또는 가용성이 제한된 원재료에 의존하지 않으며 독성물질이나 규제물질을 포함하지 않습니다.고체 유리 중 중성자 흡수종이 고압 He [24]가스에 비해 밀도가 높아 총 중성자 계수의 He tube와 일치하거나 상회한다.Li의 열중성자 단면은 He에 비해 낮지만(940배 대 5330배) 섬유 중 Li의 원자밀도는 50배 높아 약 10:1의 유효포집밀도비가 유리하다.

LiCaAlF6

LiCaAlF는6 중성자 민감성 섬광 유리 섬유 검출기와 마찬가지로 Li에 의한 중성자 포획을 이용하는 중성자 민감성 무기 섬광기 결정이다.그러나 섬광 유리 섬유 검출기와 달리 Li는 자연적으로 높은 Li 밀도를 제공하는 섬광기의 결정 구조의 일부이다.도핑제를 첨가하여 그 섬광성을 갖게 하고, 2개의 공통 도핑제는 3가의 세륨과 2가의 유로피움이다.유로피움 도프 LiCaAlF는6 중성자 포획당 생성되는 광학 광자의 수가 약 30.000개로 중성자 민감 섬광 유리 [25]섬유보다 5배 높다는 장점이 있다.이 성질은 중성자 광자 식별을 더 쉽게 한다.이 물질은 높은 Li 밀도 때문에 경량 소형 중성자 검출기를 생산하는 데 적합하며, 그 결과 LiCaAlF는6 풍선 [26]미션의 높은 고도에서 중성자 검출에 사용되었다.Eu 도프된6 LiCaAlF의 붕괴2+ 시간이 길기 때문에 고방사선 환경에서의 측정에 적합하지 않으며, Ce 도프된 변종은3+ 붕괴 시간이 짧지만 광 [27]수율이 낮다.

NaIL 이중 검출 중성자-감마 섬광기

탈륨과 리튬 [NaI(Tl+Li)] a.k.a.NaL과 공동 도핑된 요오드화나트륨 결정에는 펄스 형태 변별력이 뛰어난 단일 결정에서 감마 방사선과 열 중성자를 검출할 수 있는 능력이 있다.NaIL과 큰 두께에서 낮은 Li 농도를 사용하면 낮은 6비용으로 3He, CLYC 또는 CLLB 검출기와 동일한 중성자 검출 기능을 달성할 수 있다.Li(95% 농축) 코도핑은 표준 NaI(Tl)의 양호한 섬광 특성을 유지하면서 가장 확립된 감마선 섬광기에 효율적인 열 중성자 검출기를 도입한다. NaL은 부피 [28][29][30]당 저렴한 가격에 감마선과 중성자 모두에 대해 대용량의 단일 물질 검출기를 제공할 수 있다.

반도체 중성자 검출기

반도체 중성자 검출기에는 두 가지 기본적인 유형이 있는데, 첫 번째 유형은 중성자 반응성 물질로 코팅된 전자 장치이고 두 번째 유형은 중성자 [31]반응성 물질로 부분적으로 구성된 반도체입니다.이러한 구성 중 가장 성공적인 것은 코팅된 디바이스 유형이며, 예를 들어 B 또는 [32]LiF로 코팅된 일반적인 평면 Si 다이오드가 있습니다.[33] 이러한 유형의 검출기는 밥콕 [34]등이 처음 제안했다.컨셉은 간단합니다.중성자는 반응막 내에 흡수되어 에너지 반응 생성물을 자발적으로 방출한다.반응생성물은 반도체 표면에 도달해도 되며, 반도체 안으로 들어가면 전자-공쌍이 생성된다.역바이어스 전압에서 이들 전자와 홀은 다이오드를 통해 표류하여 유도 전류를 생성하며, 일반적으로 펄스 모드로 통합되어 전압 출력을 형성합니다.단일 코팅 장치의 최대 고유 효율은 열 중성자의 경우 약 5%(0.0259 eV)이며 설계와 작동은 [35]문헌에 자세히 설명되어 있습니다.중성자 검출 효율 한계는 반응 생성물 자기 흡수의 결과이다.예를 들어 B(n,α)Li10 반응에서 1.47MeVα 입자의 붕소막 내 범위는 약 4.5미크론, B(n,α)Li 반응에서10 2.7MeV 트리톤의 LiF 범위는 약 28미크론이다.막/반도체 계면으로부터 먼 거리에서 발생하는 반응 생성물은 반도체 표면에 도달할 수 없기 때문에 중성자 검출에 기여하지 않는다.천연 Gd로 코팅된 장치도 연구되었는데, 주로 49,000개의 [36][37]열 중성자 미세 단면적이 크기 때문입니다.그러나 관심 있는 Gd(n,θ) 반응 산물은 대부분 70 keV 정도로 분류된 저에너지 변환 전자이다.따라서 중성자 유도 이벤트와 감마선 이벤트(주로 콤프턴 산란 전자 생성) 간의 구별은 Gd 코팅 반도체 다이오드에 어렵다.보정된 픽셀 디자인으로 문제를 [38]해결했습니다.전체적으로 B 또는 LiF로 코팅된 장치는 주로 에너지 하전 입자 반응 생성물이 백그라운드 방사선과 구별하기 쉽기 때문에 선호된다.

코팅된 평면 다이오드의 낮은 효율은 미세구조 반도체 중성자 검출기(MSND)의 개발로 이어졌다.이러한 검출기는 반도체 기판에 식각된 미세 구조를 가지며, 이후 핀 스타일의 다이오드로 형성됩니다.미세구조는 중성자 반응성 물질(일반적으로 LiF)로 다시 채워지지만 B가 사용되었습니다.반응성 물질에 인접한 반도체 표면적이 증가하고 반응 생성물이 반도체에 들어갈 확률이 높아지면 고유 중성자 검출 [39]효율이 크게 높아진다.

미세구조 반도체 중성자 검출기(MSND)의 기본 설계.[40]

MSND 디바이스 구성은 Muminov와 Tsvang에 [41]의해 처음 제안되었으며, 이후 셸텐 등에 의해 제안되었습니다.[42]MSND의 첫 번째 작동 예가 만들어지고 [44]시연된[43] 것은 수년 후이며, 열 중성자 검출 효율은 3.3%에 불과했다.초기 작업 이후 MSND는 30% 이상의 열 중성자 검출 [45]효율을 달성했다.MSND는 내장 전위(인가 전압 없음)로 작동할 수 있지만, 2-3V가 인가될 때 가장 좋은 성능을 발휘합니다.현재 MSND [46][47]변형에 대해 작업 중인 여러 그룹이 있습니다.가장 성공적인 유형은 LiF 소재로 채워진 품종입니다.MSND는 현재 방사선 검출 기술(Radiation Detection Technologies, Inc.)[48]에 의해 제조 및 판매되고 있습니다.반도체 웨이퍼의 양쪽에 마주보는 미세구조를 가진 양면 MSND의 고급 실험 버전은 65% 이상의 열 중성자 검출 [49]효율로 보고되었으며 이론적으로 70% 이상의 효율이 가능합니다.

더 많은 구성 원자들 중 하나가 중성자 반응성인 반도체 검출기를 벌크 반도체 중성자 검출기라고 합니다.벌크 고체 중성자 검출기는 하전 입자 반응 생성물의 검출에 의존하는 것과 신속한 포획 감마선의 검출에 의존하는 것의 두 가지 기본적인 범주로 나눌 수 있다.일반적으로 이러한 유형의 중성자 검출기는 신뢰성 있게 만들기 어렵고 현재 시판되고 있지 않다.

하전 입자 방출에 의존하는 벌크 재료는 붕소와 리튬이 함유된 반도체를 기반으로 합니다.벌크 반도체 중성자 검출기 탐색에서는 BP, BAs, BN, BC와4 같은 붕소 기반 물질이 다른 잠재적 [50][51][52][53][54][55]물질보다 더 많이 조사되었다.

붕소계 반도체는 주로 고온과 고압이 필요하기 때문에 부피 결정으로 성장하기 어렵다.BP와 Bas는 고압 하에서 합성되지 않는 한 바람직하지 않은 결정 구조(입방체 형태에서 20면체 형태)로 분해될 수 있다.BC는4 또한 마름모꼴 결정 구조에서 20면체 단위를 형성하는데, 이는 바람직하지 않은 변환이다. 왜냐하면 이 20면체 구조는 상대적으로 낮은 전하 수집 특성을[56] 가지기 때문에 이러한 20면체 형태가 중성자 검출에 적합하지 않기 때문이다.

BN은 성장온도에 따라 단순한 육각형, 입방체(아연블렌드) 또는 와르자이트 결정으로 형성될 수 있으며, 보통 박막법으로 성장한다.이것은 중성자 검출기로 가장 많이 연구되어 온 BN의 단순한 육각형 형태이다.일반적으로 BP, BAs, BN 또는4 BC를 생성하기 위해 박막 화학 증착 방법이 사용됩니다.이러한 붕소 기반 필름은 종종 Si와 pn 접합을 형성할 수 있는 n형 Si 기판에서 성장하므로 본 섹션의 시작 부분에서 설명한 바와 같이 코팅된 Si 다이오드를 생성한다.따라서 실제로 도포된 다이오드 응답일 경우 장치로부터의 중성자 응답을 벌크 응답으로 오인하기 쉽다.현재까지 붕소 기반 반도체가 고유 중성자 신호를 생성한다는 증거는 희박하다.

노보트니-주자 화합물로 분류되는 리튬 함유 반도체는 벌크 중성자 검출기로도 조사되었다.Nowotny-Juza 화합물인 LiZnAs는 중성자 [57]검출기로 입증되었지만, 이 물질은 합성하기 어렵고 비용이 많이 들며, 작은 반도체 결정만 보고되었다.마지막으로 중성자 반응성 도판트를 가진 전통적인 반도체 재료, 즉 Si(Li) 검출기를 조사했다.중성자는 물질의 리튬 도판트와 상호작용하여 에너지 반응 생성물을 생성한다.단, 도판트 농도는 Li 표류 Si 검출기(또는 다른 도프 반도체)에서 상대적으로 낮으며, 일반적으로 10cm−3 미만이다19.Li의 축퇴 농도를 10cm−3 정도로19 할 경우, 5cm 두께의 자연 Si(Li) 블록은 1% 미만의 열-중성자 검출 효율을 가지는 반면, 5cm 두께의 Si(6Li) 검출기 블록은 4.6%의 열-중성자 검출 효율을 가지는 데 그쳤다.

CdTe [58][59]및 HgI와2[60][61] 같은 신속한 감마선 방출 반도체가 중성자 검출기로 성공적으로 사용되었다.이러한 검출기는 Cd(n, 114θ)Cd 반응(558.6 keV 및 651.3 keV 감마선 생성)과 Hg(n, θ) Hg 반응(368.1 keV 및 661.1 keV 감마선 생성)의 즉각적인 감마선 방출에 의존한다.단, 이러한 반도체 재료는 감마선 분광계로 사용하도록 설계되어 감마선 배경에 본질적으로 민감하다.적절한 에너지 분해능을 사용하면 펄스 높이 구별을 사용하여 중성자 상호작용에서 즉각적인 감마선 방출을 분리할 수 있다.단, 유효 중성자 검출 효율은 콤프턴비가 비교적 작기 때문에 저하된다.즉, 대부분의 이벤트가 전체 에너지 피크가 아닌 콤프턴 연속체에 추가되므로 중성자와 배경 감마선을 구별하기가 어렵다.또한 천연 Cd 및 Hg는 각각 2444 b 및 369.8 b의 비교적 큰 열중성자(n,θ) 단면을 가진다.따라서 대부분의 열중성자는 검출기 표면 근처에서 흡수되기 때문에 신속한 감마선의 거의 절반이 검출기 벌크에서 떨어진 방향으로 방출되며 따라서 감마선 재흡수 또는 상호작용 효율이 저하된다.

중성자 활성화 검출기

활성화 샘플은 중성자의 에너지 스펙트럼과 강도를 특징짓기 위해 중성자장에 배치할 수 있다.에너지 역치가 다른 활성화 반응은 Fe(n,p) Mn, Al(n,α)24 Na, Nb(n,2n) Nb 및 Si(n,p)28 [62]Al을 포함할 수 있다.

고속 중성자 검출기

고속 중성자는 먼저 열 에너지로 감속(감속)함으로써 검출되는 경우가 많다.그러나 그 과정에서 중성자의 원래 에너지, 진행 방향, 방출 시간에 대한 정보가 손실된다.많은 애플리케이션에서 이 정보를 유지하는 "빠른" 중성자의 검출은 매우 [63]바람직하다.

대표적인 고속 중성자 검출기는 액체 섬광기,[64] 4-He 기반의 귀가스 검출기 및 플라스틱 검출기다.고속 중성자 검출기는 1. 중성자/감마 식별 능력(펄스 형태 식별을 통해) 및 2. 감도로 서로 구별한다.중성자와 감마스의 구별능력은 전자밀도가 낮고 펄스 형상 판별성이 뛰어나 희가스 기반의 4-He 검출기에서 우수하다.실제로 황화아연과 같은 무기 섬광기는 양성자와 전자에 대해 붕괴 시간에 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이 기능은 마이크로층 고속 중성자 [66]검출기에서 무기 결정을 중성자 변환기(폴리메틸 메타크릴레이트 등)와 결합함으로써 이용되었다.이러한 검출 시스템은 펄스 형상 [67]판별과 같은 추가 식별 기법 없이 혼합 중성자-감마 방사선장에서 고속 중성자만 선택적으로 검출할 수 있다.

고속 중성자의 검출은 다양한 특수한 문제를 일으킨다.플라스틱 섬광기 재료의 분리된 평면에서 여러 개의 양성자 반동을 사용하여 방향성 고속 중성자 검출기가 개발되었다.중성자 충돌에 의해 생성된 반동핵의 경로를 기록한다. 두 반동핵의 에너지와 운동량을 측정하면 [68]중성자와 함께 탄성 산란을 거친 중성자의 이동 방향과 에너지를 계산할 수 있다.

적용들

중성자 검출은 다양한 목적으로 사용된다.애플리케이션마다 탐지 시스템에 대한 요구 사항이 다릅니다.

  • 원자로 계기:원자로 출력은 기본적으로 중성자속과 선형 비례하기 때문에 중성자 검출기는 원자력 및 연구용 원자로 출력의 중요한 측정치를 제공한다.비등수형 원자로에는 연료 집합체당 하나씩 수십 개의 중성자 검출기가 있을 수 있다.열 스펙트럼 원자로에 사용되는 대부분의 중성자 검출기는 열 중성자를 검출하도록 최적화된다.
  • 플라즈마 물리:중성자 검출은 [69]JET와 같은 핵융합 플라즈마 물리학 실험에서 사용됩니다.예를 들어 플라즈마에서 검출된 중성자 속도는 이온 [70]온도에 대한 정보를 제공할 수 있다.
  • 입자 물리학:중성자 검출기는 중성미자 [71]검출기를 강화하는 방법으로 제안되었다.
  • 재료 과학:탄성 및 비탄성 중성자 산란을 통해 실험자는 öngströms에서 약 1마이크로미터까지의 스케일에서 물질의 형태를 특성화할 수 있다.
  • 방사선 안전:중성자 방사선은 중성자 선원, 우주 여행, 가속기 및 원자로와 관련된 위험이다.방사선 안전을 위해 사용되는 중성자 검출기는 상대적 생물학적 효과(즉, 중성자에 의한 손상은 에너지에 따라 달라짐)를 고려해야 한다.
  • 우주선 검출:이차 중성자는 우주선에 의해 지구 대기에서 생성되는 입자 샤워의 한 구성요소이다.전용 지상 중성자 검출기(즉, 중성자 모니터)는 우주선 플럭스의 변화를 감시하기 위해 사용된다.
  • 특정핵물질 검출:우라늄-233 및 플루토늄-239와 같은 특정핵물질(SNM)은 자연분열에 의해 붕괴되어 중성자를 생성한다.중성자 검출기는 상업용 SNM 모니터에 사용할 수 있다.

실험 중성자 검출

이 과학을 이용한 실험에는 시료에서 중성자를 유도하고 산란시키는 산란 실험이 포함된다.시설에는 러더포드 애플턴 연구소의 ISIS 중성자 선원, 오크리지 국립 연구소의 스팔레이션 중성자 선원, 폴 셰러 연구소의 스팔레이션 중성자 선원(SINQ)과 중성자가 스팔레이션 반응에 의해 생산되는 기존 원자로 시설이 포함된다.우라늄 동위원소 핵분열 중에 생성된 재분열.다양한 중성자 검출 실험 중 주목할 만한 것은 CERN에서 처음 수행되었고 현재는 "EMC 실험"으로 불리는 유럽 뮤온 공동 작업의 트레이드마크 실험이다.EMC의 본래 효과와 관련하여 보다 확실한 결과를 얻기 위해 더 정교한 기기에 대해 동일한 실험을 현재 수행하고 있습니다.

실험 환경에서 중성자 검출의 과제

실험 환경에서 중성자 검출은 쉬운 과학이 아니다.현대 중성자 검출이 직면한 주요 과제에는 배경 소음, 높은 검출 속도, 중성자 중립성 및 낮은 중성자 에너지가 포함된다.

배경 노이즈

중성자 검출에서 배경 소음의 주요 구성요소는 물리적 장벽에 의해 쉽게 제거되지 않는 고에너지 광자이다.알파 및 베타 입자와 같은 다른 소음원은 납, 플라스틱, 열탄 등과 같은 다양한 차폐 물질에 의해 제거될 수 있다.따라서 중성자 또는 광자가 중성자 검출기에 의해 검출되는지 불확실하기 때문에 광자는 중성자 검출에 큰 간섭을 일으킨다.두 가지 모두 표적 또는 주변 빛으로부터 검출기에 산란된 후 유사한 에너지를 등록하기 때문에 구별하기가 어렵다.우연 검출은 광자 및 기타 방사선과 실제 중성자 이벤트를 구별하는 데도 사용할 수 있다.

높은 검출률

검출기가 높은 빔 활동 영역에 있는 경우 중성자와 배경 소음에 의해 압도적으로 높은 속도로 연속적으로 타격된다.이렇게 하면 측정이 극단적으로 중복되고 개별 이벤트가 서로 쉽게 구별되지 않기 때문에 수집된 데이터가 난독화됩니다.따라서 과제 중 일부는 검출 속도를 가능한 낮게 유지하고 일관성 있는 데이터를 산출하기 위해 높은 속도를 유지할 수 있는 검출기를 설계하는 데 있다.

중성자 중성자

중성자는 중성이기 때문에 전기장에 반응하지 않는다.따라서 탐지를 용이하게 하기 위해 탐지기로 이동 경로를 지정하는 것이 어렵습니다.중성자 역시 직접 충돌하는 경우를 제외하고는 원자를 이온화하지 않기 때문에 가스 이온화 검출기는 효과가 없습니다.

에너지와 함께 변화하는 동작

중성자 흡수에 의존하는 검출기는 일반적으로 저에너지 열 중성자에 더 민감하며 고에너지 중성자에 덜 민감하다.반면 섬광 검출기는 저에너지 중성자의 영향을 등록하는 데 어려움을 겪는다.

실험적인 설정 및 방법

그림 1: 실험 셋업

그림 1은 중성자 검출 장치의 전형적인 주요 구성 요소를 보여준다.원칙적으로 이 다이어그램은 현대의 입자물리학 실험실에서와 같은 설정을 나타내지만, 구체적인 내용은 제퍼슨 연구소의 설정을 설명하고 있습니다(버지니아 뉴포트 뉴스).

이 설정에서는 중성자와 광자로 구성된 유입 입자가 중성자 검출기와 충돌한다. 이는 일반적으로 섬광 물질, 도파관 및 광전자 증배관(PMT)으로 구성된 섬광 검출기로, 검출 세부사항을 등록하기 위해 데이터 수집(DAQ) 시스템에 연결된다.

중성자 검출기의 검출 신호는 스케일러 장치, 게이트 지연 장치, 트리거 장치 및 오실로스코프에 연결됩니다.스케일러 유닛은 착신 파티클 또는 이벤트의 수를 카운트하기 위해서만 사용됩니다.영점으로부터의 검출기 신호의 서지를 검출할 때마다, 입자의 집계를 증가시킵니다.이 유닛에는 데드 타임이 거의 없기 때문에 아무리 빠르게 입자가 들어오더라도 이 유닛이 이벤트(예: 들어오는 입자)를 카운트하지 못할 가능성은 매우 낮습니다.데드 타임이 낮은 것은 이 유닛의 고도의 전자장치에 의한 것입니다.이러한 전자장치는 이벤트가 발생할 때마다 논리적인 하이를 기록하는 비교적 쉬운 작업으로부터 회복하는 데 시간이 거의 걸리지 않습니다.트리거 장치는 시스템의 모든 전자 장치를 조정하고 전체 설정이 이벤트 실행을 기록할 준비가 되면 이러한 장치에 논리적으로 높은 값을 제공합니다.

오실로스코프는 모든 이벤트에 전류 펄스를 등록합니다.펄스는 시간 대비로 표시된 이 사건으로 인해 발생하는 검출기 내 이온화 전류일 뿐이다.입사 입자의 총 에너지는 PMT의 끝에 축적된 총 전하를 산출하기 위해 시간에 대한 이 전류 펄스를 적분함으로써 구할 수 있습니다.이 통합은 Analog-Digital Converter(ADC; 아날로그 디지털컨버터)로 실행됩니다.총 침전물은 중성자 검출기에 들어가는 이온화 입자(중성자 또는 광자)의 에너지를 직접 측정하는 것이다.이 신호 적분 기술은 [72]핵물리학의 검출기에서 이온화를 측정하기 위한 확립된 방법이다.ADC는 오실로스코프보다 데드 타임이 높아 메모리가 제한되고 이벤트를 ADC로 신속하게 전송해야 합니다.따라서 ADC는 분석을 위해 오실로스코프에서 약 30개의 이벤트 중 1개를 샘플링합니다.일반적인 사건 속도는 [73]초당 약 10개의6 중성자이기 때문에 이 표본 추출은 여전히 초당 수천 개의 사건이 누적된다.

광자에서 중성자를 분리하다

ADC는 DAQ 유닛으로 데이터를 전송하고 DAQ 유닛은 데이터를 분석 가능한 형태로 정렬합니다.추가 분석의 열쇠는 광자 이온화 전류 펄스와 중성자 펄스의 형태 차이에 있다.광자 펄스는 말단(또는 "꼬리")에서 더 긴 반면 중성자 펄스는 잘 [73]중심화되어 있다.이 사실은 유입 중성자를 식별하고 유입 중성자의 총 속도를 계산하는 데 사용할 수 있다.이러한 분리에 이르는 단계(일반적으로 주요 국립 연구소, 특히 그중에서 제퍼슨 연구소에서 수행되는 단계)는 게이트 펄스 추출과 차이점 표시입니다.

게이트 펄스 추출

이온화 전류 신호는 모두 로컬 피크를 사이에 둔 펄스입니다.연속 시간에 논리 AND 게이트를 사용하여(한 입력으로 "1" 및 "0" 펄스의 스트림을 사용하고 다른 입력으로 전류 신호를 사용) 모든 전류 펄스 신호의 테일 부분을 추출합니다.이 게이트 식별 방법은 액체 [74]섬광기에 정기적으로 사용된다.게이트 지연 장치는 정확히 이 목적을 달성하며, 오실로스코프 화면의 메인 섹션과 함께 테일 섹션이 보이도록 원래 신호의 지연 복사를 수행합니다.

테일 추출 후 테일 섹션과 전체 신호 양쪽에 통상적인 전류 적분을 실시한다.이를 통해 각 이벤트에 대해 2개의 이온화 값이 생성되며 DAQ 시스템의 이벤트 테이블에 저장됩니다.

차이를 표시하다

그림 2: 모든 이벤트 에너지에 대해 표시된 전체 펄스의 에너지에 대한 테일 에너지의 예상 플롯.점은 이벤트의 밀도 수를 나타냅니다.

이 단계에서는 분석의 중요한 포인트가 됩니다. 추출된 이온화 값이 플롯됩니다.구체적으로, 그래프는 중성자 에너지 범위에 대한 전체 신호의 에너지 증착에 대한 꼬리 부분의 에너지 증착을 나타낸다.일반적으로 주어진 에너지에 대해 동일한 테일 에너지 값을 갖는 많은 사건이 발생한다.이 경우, 플롯된 점은 2차원 플롯에 겹치는 점이 많아져 밀도가 높아지기 때문에 각 에너지 증착에 대응하는 이벤트 수를 눈여겨보기 위해 사용할 수 있다.모든 사건의 상당 부분 랜덤 부분(1/30)이 그래프에 표시됩니다.

추출된 꼬리 크기가 총 펄스의 고정 비율인 경우 그림에는 기울기가 서로 다른 두 선이 있습니다.기울기가 큰 선은 광자 이벤트에 대응하고 기울기가 작은 선은 중성자 이벤트에 대응한다.이것은 정확하게 시간에 대해 표시된 광자 에너지 증착 전류가 중성자 증착도보다 더 긴 "꼬리"를 남기 때문에 광자 꼬리가 중성자 꼬리보다 총 에너지의 더 많은 비율을 제공하기 때문이다.

검출 분석의 효과는 검출기에 부딪히는 중성자와 광자의 수를 정확하게 계산하고 분리할 수 있는 능력으로 확인할 수 있다.또한, 두 번째와 세 번째 단계의 효과는 실험의 사건 비율을 관리할 수 있는지 여부를 보여준다.위의 단계에서 중성자-광자 분리가 용이하도록 명확한 플롯을 얻을 수 있다면 검출은 효과적이고 관리 가능한 속도라고 할 수 있다.한편, 데이터 포인트가 흐려지고 구별이 불가능하기 때문에 이벤트를 쉽게 분리할 수 없습니다.

환율 제어

탐지율은 여러 가지 방법으로 낮게 유지될 수 있습니다.사건 표본 추출을 사용하여 분석할 몇 가지 사건만 선택할 수 있습니다.한 사건이 다른 사건과 구별할 수 없을 정도로 비율이 높은 경우 물리적 실험 매개변수(차폐, 검출기-표적 거리, 입체 각도 등)를 조작하여 가능한 가장 낮은 비율을 제공할 수 있다.

미세한 검출점

여기에는 잘못된 지표가 있을 수 있기 때문에 중요한 변수들을 정확하게 관찰하는 것이 중요하다.예를 들어 이온화 전류는 주기적으로 높은 서지를 얻을 수 있는데, 이는 높은 속도를 의미하는 것이 아니라 부유 이벤트에 대한 높은 에너지 축적만을 의미합니다.이러한 급증은 특히 배경 잡음이 너무 많기 때문에, 정당화될 수 없다면, 표로 작성되고 냉소적으로 보일 것이다.

실험자가 오실로스코프의 모든 전류 펄스가 정확히 하나의 이벤트에 해당하는지 확인할 수 있는 방법을 물어볼 수 있습니다.펄스가 약 50ns 지속되어 초당 최대 2×10개의7 이벤트를 허용하기 때문입니다.이 수치는 실제 표준 속도보다 훨씬 높으며,[73] 이는 위에서 설명한 것과 같이 보통 크기가 더 작습니다.즉, 하나의 전류 펄스를 생성하는 입자가 2개일 가능성은 매우 낮습니다.현재 펄스는 각각 50ns씩 지속되며 이전 이벤트와의 갭 후 다음 이벤트 등록을 시작합니다.

더 높은 유입 중성자 에너지에 의해 촉진되는 경우도 있지만, 중성자 검출은 앞에서 설명한 모든 이유로 일반적으로 어려운 작업이다.따라서 더 나은 섬광기 설계도 주목을 받고 있으며 섬광 검출기의 발명 이후 계속 추진의 주제가 되어 왔다.섬광 검출기는 1903년 Crookes에 의해 [72]발명되었지만 1944년 Curran과 Baker에 의해 PMT(광전자 증배관)가 개발되기 전까지는 그다지 효율적이지 않았다.PMT는 탐지 신호를 10배 증가시키기 때문에 신뢰성이 높고 효율적인 탐지 방법을 제공합니다.그렇다 하더라도 섬광 설계는 섬광을 제외한 다른 중성자 검출 옵션과 마찬가지로 개선의 여지가 있다.

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