Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

Исследование твердых тел. Изучение полупроводниковых ма­ териалов при помощи электронных зондов и СЭМ, исследование распределения примесей и структуры в полупроводниковых уст­ ройствах и веществах.

Изучение пространства. Определение рентгеновского спект­ ра в космическом пространстве, Солнца, изучение структуры и состава образцов лунных пород, метеоритов, астероидов, опре­ деление химического состава других планет.

Криминалистика. Идентификация картин и других предме­ тов искусства, анализ состава монет, редких металлов, установ­ ление подлинности паспортов и других документов.

Промышленность. Количественный контроль за составом в аналитических лабораториях и в цехах, контроль металлурги­

v.NS-17, No. 3, p. 215.

8.Greenwood R. C., Helmer R. G., Gehrke R. J. — «Nucl. Instrum. andMeth.»,

15.Балдин С. А. и др. В кн.: Ядерное приборостроение. Труды Союзного н.-п. пн-та приборостроения. Вып. 12. М. Атомиздат, 1970, с. 94.

p.343.

19.Paradellis T., Hohtzeas S. — «Nucl. Phys.», 1969, v. A-131, p. 378.

301

Глава 7 .

СПЕКТРОМЕТРИЯ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 7 .1 . П Р И Н Ц И П Ы П О С Т Р О Е Н И Я С П Е К Т Р О М Е Т Р О В

Энергетическое спектрометрирование потоков нейтронов как измерительная задача состоит из нескольких взаимосвязанных этапов: 1) выбор принципа построения спектрометра; 2) выбор метода и условий первичного преобразования энергии нейтро­ нов в энергию заряженных частиц, временных интервалов и т. п.; 3) выбор параметров детекторов и геометрии регистрации заряженных частиц; 4) построение электронно-измерительной системы отбора и вывода информации; 5) обработка аппара­ турных спектров.

Для определения энергии нейтронов на практике наиболее часто применяют спектрометры трех основных типов, различаю­ щиеся принципом преобразования энергии нейтронов [1, 2]. Это, прежде всего, спектрометры, основанные на преобразова­ нии энергии нейтронов в энергию заряженных частиц, испускае­ мых в результате ядерных реакций, происходящих при взаимо­ действии нейтронов с ядрами специально выбранного вещества поглотителя-конвертора (радиатора); спектрометры, основанные на измерении энергии ядер отдачи, образующихся при упругом рассеянии нейтронов на ядрах конвертора, и, наконец, спектро­ метры, основанные на измерении времени пролета нейтронами ■определенного базового расстояния. Каждый из этих спектро­ метров имеет определенные достоинства и недостатки, опреде­ ляющие область их применения. При рассмотрении областей использования ППД в спектрометрах нейтронного излучения целесообразно рассматривать их влияние на такие измеритель­ ные параметры, как форма аппаратурной кривой, энергетичес­ кое и временное разрешение, эффективность регистрации и диапазон исследуемых энергий нейтронов. Специфика и достоин­ ство нейтронных спектрометров с применением полупроводнико­ вых детекторов определяются в основном стадией преобразова­ ния энергии заряженных частиц в параметры электрического сигнала. Поэтому построение полупроводниковых спектромет­ ров нейтронного излучения по времени пролета несущественно отличается от построения аналогичных спектрометров на основе сцимтилляционных или других быстродействующих детекторов ионизирующих излучений. Основные особенности и преимущест-

303

ра ППД в нейтронной спектрометрии проявляются при построе­ нии спектрометров, в которых принят принцип преобразования информации об энергии нейтронов в энергию заряженных частиц.

Наиболее простые и распространенные спектрометры ней­ тронного излучения такого типа — приборы, основанные на измерении энергии вторичных заряженных частиц, испускаемых в результате ядерных реакций, происходящих при взаимодейст­ вии нейтронов с ядрами. Среди ядерных реакций, которые мо­ гут быть использованы для подобного преобразования энергии нейтронов в энергию заряженных частиц, наиболее приемлемы четыре экзоэнергетические реакции:

Эти реакции имеют достаточно высокие сечения взаимодей­ ствия, относительно плавно меняющиеся при изменении энергии нейтронов и малом количестве резонансов.

Другой тип спектрометров нейтронов — устройства, основан­ ные на измерении энергии ядер отдачи, образующихся при уп­ ругом рассеянии нейтронов. В качестве конверторов нейтронов в подобных спектрометрах для обеспечения максимальной пе­ редачи энергии стремятся выбрать вещества с малым массовым числом и сечением рассеяния, существенно большим сечения поглощения. Поэтому в качестве конверторов обычно приме­ няют либо легкие газы (водород, гелий и т. п.), либо водород­ содержащие вещества. Общий недостаток спектрометров этого типа — относительная сложность аппаратурной кривой и низкая разрешающая способность. Это связано с тем, что ядра отдачи при упругом рассеянии нейтронов имеют непрерывный спектр даже для монохроматических нейтронов. Поэтому для обеспе­ чения более высокого требуемого энергетического разрешения регистрируют лишь ядра отдачи, рассеянные в определенном выбранном направлении в малом телесном угле, который дол­ жен быть тем меньше, чем выше требуется разрешение, что, естественно, в известной степени усложняет конструкцию спек­ трометра и понижает эффективность регистрации нейтронов. Достоинство этих спектрометров — в широком диапазоне изме­ ряемых энергий: от десятков килоэлектронвольт до нескольких десятков мегаэлектронвольт.

304

§ 7.2. Ф А К Т О Р Ы , О П Р Е Д Е Л Я Ю Щ И Е Ф О Р М У А П П А Р А Т У Р Н О Й К Р И В О Й

Наибольшее развитие среди спектрометров нейтронов с ППД получили спектрометры, в которых используется преобразование энергии нейтронов в энергию тяжелых заряженных частиц. Как правило, блок детектирования подобных спектрометров — это конструкция, состоящая из одного или нескольких полупровод­ никовых детекторов и конвертора, в котором энергия нейтронов преобразуется в энергию заряженных частиц. Форму аппара­ турной кривой в значительной степени определяют параметры радиатора и детекторов. Прежде всего это ядерные реакции, происходящие при взаимодействии нейтронов с веществом кон­ вертора, геометрия и эффективность регистрации вторичных за­ ряженных частиц.

Действительно, чувствительность 5 блока детектирования к нейтронам с энергией Е определяется [3] вероятностью: а) взаи­ модействия нейтрона с веществом конвертора, в результате ко­ торого возникают заряженные частицы; б) выхода заряженных частиц из конвертора и их попадания на чувствительную по­ верхность детекторов; в) регистрации заряженных частиц детек­ торами, а также эффективной площадью s конвертора, т. е.

ция с сечением взаимодействия стр; f — фактор, учитывающий долю заряженных частиц, вышедших из поверхности конвертора

с выделением энергии около 0,77 МэВ, которая распределяется между протоном и ядром трития. Сечение реакции для тепло­ вых нейтронов составляет 5400 барн и с ростом энергии изме­

няется по закону l/i^Е. При энергии нейтронов больше 1 МэВ в спектре вторичных заряженных частиц появляются ядра от­ дачи, которые в результате упругого столкновения с быстрыми нейтронами приобретают энергию, сравнимую с энергией вто­ ричных заряженных частиц, и усложняют форму аппаратурного спектра.

В природном гелии содержится лишь 1,3-10-4% изотопа 3Не, поэтому в качестве радиатора стремятся использовать газ, мак­ симально обогащенный 3Не, часто при повышенном давлении.

При использовании в качестве изотопа конвертора 10 В при взаимодействии нейтронов происходит ядерная реакция с обра­ зованием а-частицы и ядра 7 Li по двум ветвям:

305.

стицам и составляет 1,77 МэВ для a-частицы н 1,01 МэВ для ядра .пития.

Вероятность реакции для медленных нейтронов по второму варианту составляет 0,93. Реакция происходит в две стадии.

ставляет ~4000 барн и для нейтронов с энергией до 1 кэВ* под­ чиняется закону l/v. При больших энергиях нейтронов появля­ ются другие продукты реакции.

Подобный характер взаимодействия нейтронов с 10В приво­ дит к неоднозначности связи энергии нейтронов с энергией вторичных заряженных частиц и существенно усложняет аппа­ ратурные спектры и их интерпретацию.

В ’ттрпродные соединения бор входит в виде двух изотопов: КВ (18,2%) и ИВ (81,8%). Поэтому при изготовлении конвер­ торов для повышения эффективности регистрации используют бор и его соединения, обогащенные' изотопом |0В до 80—90%.

При использовании экзотермической реакции на изотопе лития 6Li происходит выделение энергии около 4,8 МэВ, которая распределяется между ядром трития (2,73 МэВ) и ц-частицей (2.05 МэВ). Сечение этой реакции для тепловых нейтронов со­ ставляет 945 барн, для медленных нейтронов подчиняется зако­ ну l/v н имеет резонансы в области энергий около 0,3 МэВ. При энергии нейтронов около 7 МэВ в аппаратурном спектре появ­

изотопа 6Li, поэтому при изготовлении конверторов используют соединения лития, обогащенные 6Li до 95—98%.

При использовании в качестве конверторов водорода и водо­ родсодержащих веществ в спектрометрах используется преоб­ разование энергии нейтронов в энергию протонов отдачи, воз­ никающих при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода. Энергия протонов E p= E ncos2qi, где ср — угол между направле­ нием движения нейтрона и протона. При лобовых столкнове­ ниях, когда ср = 0, Е р= Е п. В общем случае спектр энергии про­ тонов имеет столообразный вид от 0 до Е п. Сечение упругого рассеяния нейтронов на водороде практически постоянно в диа­

306