MASTER DE ENERGIA NUCLEAR - DETECTORES DE NEUTRONES

Lección 9.- DETECTORES DE NEUTRONES

V. Alcober

ÍNDICE

9. DETECTORES DE NEUTRONES

9.1.-

Interacción de los neutrones con la materia.

9.2.-

Los detectores de neutrones.

9.3.-

Contadores proporcionales de BF3.

9.4.-

Detectores de ionización de impulsos con revestimiento de boro.

9.5.-

Cámaras de corriente con revestimiento de boro.

9.6.-

Cámaras de fisión.

9.7.-

Detectores de boro y de fisión en los reactores nucleares.

9.8.-

Contadores proporcionales de Helio 3.

9.9.-

Detección de neutrones rápidos por protones de retroceso.

9.10.- Detectores de centelleo para neutrones. 9.11.- Detectores termoeléctricos. 9.12.- Detectores de semiconductor. 9.13.- Detectores autoenergizados.

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9.- DETECTORES DE NEUTRONES. 9.1.- INTERACCIÓN DE LOS NEUTRONES CON LA MATERIA. Por carecer de carga eléctrica, los neutrones no ionizan directamente los materiales que atraviesan; por otra parte, al no ser desviados por los campos eléctricos de núcleos o electrones, son capaces en general de atravesar grandes espesores de materia. Un neutrón interacciona con la materia tan sólo cuando se acerca a muy pequeña distancia de un núcleo, hasta el punto de poder hablarse de colisión entre ambos. Si se hace incidir un haz estrecho y paralelo de n0 neutrones con una lámina fina de un material, el haz estrecho y paralelo de neutrones que resulta al otro lado tiene un contenido en neutrones n(x) que puede expresarse por n(x) = n0 e-N σ x

(9.1)

donde N es el número de núcleos por cm3 de la sustancia atravesada, x es el espesor atravesado y σ es la llamada sección eficaz total por núcleo, que depende de dicha sustancia y de la energía de los neutrones, y viene a representar la superficie eficaz o efectiva que ofrece el núcleo para la absorción del neutrón o su desviación de la dirección incidente. Dicha sección eficaz, sin embargo, no coincide, ni siquiera aproximadamente, con la sección geométrica del núcleo en cuestión, salvo en contadas ocasiones. La sección eficaz se suele expresar en barns, siendo

1 barn = 10 -24 cm2

Figura 9.1.- Interacción de un haz estrecho de neutrones con una lámina fina de un material. Algunos neutrones son absorbidos y otros son dispersados en la lámina. Al producto Nσ = Σ o sección eficaz total, no ya de un solo núcleo, sino de 1 cm3 de materia constituido por N átomos de núcleos idénticos, se le llama @sección eficaz macroscópica@ y se expresa ordinariamente en cm-1. El número de interacciones que han tenido lugar en un espesor x de la materia en

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cuestión, vendrá dado por: n0 - n(x) = n0 [1 - e

-N σ x

]

(9.2)

Si se verifica que Nσx 0), pudiendo ser, por tanto, provocadas por neutrones de cualquier energía. Los dos casos más conocidos son:

Li6 + n1 → H 3 + α 4

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B105 + n10 → Li73 + α 42 La emisión de la partícula alfa en las anteriores reacciones es prácticamente simultánea con la llegada del neutrón incidente, empleándose dicha partícula, según se verá más adelante, para la detección del neutrón y la determinación del instante de su llegada. La sección eficaz para neutrones térmicos del 10B es elevada, de 3.840 barns, por lo que también el boro natural, cuyo 19 % es 10B, constituye un buen absorbente de dichos neutrones. La sección eficaz total para neutrones en el boro natural, en función de la energía, fundamentalmente debida a la citada reacción, viene indicada en la Figura 9.5. Para energías comprendidas entre 0,001 eV y 30 keV dicha sección eficaz varía proporcionalmente a 1/v, siendo v la velocidad del neutrón incidente. La energía total resultante de dicha reacción es 2,78 MeV. En el 95 % de los casos el núcleo de 7Li queda excitado a 0,44 MeV; el resto se distribuye como energía cinética entre las dos partículas en forma inversamente proporcional a sus masas respectivas, correspondiendo 1,47 MeV a la partícula alfa y 0,88 MeV al núcleo del litio. Este último se desexcita seguidamente emitiendo un fotón gamma. En cuanto a la segunda reacción citada, el 6Li tiene una sección eficaz de 900 barns para neutrones térmicos y, puesto que su abundancia es sólo del 7 % en el litio natural, la sección eficaz equivalente de este último es de 65 barns. Esta reacción suele ser utilizada para la producción de tritio, 13H mediante la irradiación del litio con neutrones en un reactor nuclear.

Figura 9.5.- Sección eficaz total del boro natural para neutrones en función de la energía. (Tomado de D. J. Hugues; ? Neutron Cross Sections? , por cortesía de McGraw-Hill Book Company). d)

Fisión nuclear de algunos átomos pesados cuyos núcleos, tras absorber el neutrón, se escinden inmediatamente en dos grandes fragmentos principales que comparten la nada desdeñable energía de 200 MeV, liberándose, además, algunos

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neutrones. La fisión nuclear puede tener lugar en todos los elementos de número atómico mayor de 30, bombardeados con neutrones suficientemente energéticos, de hasta varios centenares de MeV. Sin embargo, con neutrones de energía inferior a los 10 MeV la fisión sólo se presenta con secciones eficaces apreciables en núcleos de número atómico a partir de 90. Por ejemplo, el 238U (99,27 % del uranio natural) y el 232Th (100 % del torio natural) presentan una sección eficaz de fisión de medio barn para neutrones de energía algo superior a 1 MeV (neutrones rápidos). El fenómeno de la fisión fue primeramente descubierto en el 235U, isótopo que constituye el 0,72 % del uranio natural, el cual a diferencia de lo que les sucede al 238U y al 232Th, presenta una sección eficaz de fisión muy elevada para neutrones de bajas energías, por ejemplo neutrones térmicos. El 238U y el 239Pu que se comporta de forma análoga, se utilizan para la producción en gran escala de reacciones de fisión en cadena automantenida, principio de funcionamiento de los reactores nucleares. La Figura 9.6 muestra la variación de la sección eficaz de fisión del 235U en función de la energía de los neutrones incidentes.

Fig ur a 9.6.- Sección eficaz de fisión del 235U en función de la energía de los neutrones incidentes. Por su gran masa y carga eléctrica los productos de fisión producen una intensa ionización específica y pierden rápidamente toda su energía en un corto recorrido, de un par de centímetros aproximadamente, en un gas a presión normal.

9.2.- La detección de los neutrones.

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Dado que los neutrones carecen de carga eléctrica, no producen ionización directa a su paso a través de la materia. Su detección debe basarse en los efectos secundarios que resultan de sus interacciones con los núcleos. En el párrafo anterior se han descrito las cuatro formas principales de interacción; todas ellas se emplean para la detección de neutrones. En principio, cualquier detector sensible a la radiación ionizante lo es también a los neutrones. Efectivamente, la interacción directa de estos sobre los materiales del detector, particularmente las partes metálicas (electrodos, por ejemplo) va a producir partículas o radiaciones ionizantes capaces de ser detectadas. Las condiciones de la detección, sin embargo, no serán las más idóneas. Se trata, pues, de potenciar este efecto mediante el cual pueden construirse muchos detectores de neutrones. Así un detector de neutrones podrá ser considerado como un detector de radiación ionizante al que se le ha incorporado un material sensible a los neutrones. Para llevar a cabo un estudio sistemático de los detectores de neutrones conviene subdividirlos en dos grandes grupos: 1.-

Detectores activos donde mediante fenómenos de ionización se obtienen impulsos eléctricos o corrientes que se miden simultáneamente a la interacción de los neutrones. Dentro de este grupo pueden incluirse los siguientes detectores: -

2.-

Detectores de ionización en gases (cámaras de ionización y contadores proporcionales). Detectores de centelleo. Detectores de semiconductor. Detectores autoenergizados.

Detectores pasivos que son alterados de alguna forma por la acción de los neutrones. La medida posterior de la alteración determina la cuantía de la interacción neutrónica. No existe simultaneidad entre la interacción de los neutrones y su determinación, la cual se realiza posteriormente en el laboratorio. Dentro de este grupo figuran los siguientes detectores: -

Detectores de activación. Detectores de trazas. Detectores TLD.

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En la Figura 9.7 se reúnen las gráficas de variación, con la energía de los neutrones incidentes, de las secciones eficaces de los procesos nucleares más importantes para la detección de estas partículas y que serán considerados reiteradamente a lo largo del capítulo.

σ

Α Β

α α

Figura 9.7.- Secciones eficaces de procesos importantes para la detección de neutrones en función de la energía de éstos.

La radiación neutrónica coexiste frecuentemente con otros tipos de radiación nuclear, particularmente radiación gamma que interfiere y dificulta en general las medidas a realizar sobre la primera. El estudio de un detector de neutrones implica necesariamente el estudio de la discriminación de la radiación gamma por repercutir directamente en la utilidad práctica del mismo.

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9.3.- Contadores proporcionales de BF3. Se utiliza en estos detectores la reacción nuclear 10B(n, α)7Li. Tanto la partícula alfa como el núcleo de litio formado provocan una densa ionización al atravesar el gas de una cámara o de un contador proporcional; el movimiento de las cargas resultantes dará lugar a la formación en el electrodo colector de un impulso eléctrico en respuesta al neutrón detectado. Como se vió en 9.1 la sección eficaz de esta reacción varía en forma inversamente proporcional a la velocidad de los neutrones hasta energías de 30 keV (Figura 9.7). Para neutrones térmicos, con velocidad v0 = 2,2 A 105 cm/s es de σ0 = 3.840 barns. Para velocidades v correspondientes a energías que no excedan el citado valor será σ=

σ 0 v0 v

(9.16)

Como es sabido el boro natural contiene 19 % de 10B; para aumentar la eficiencia de los detectores se enriquece el boro hasta contener la mayor proporción posible de dicho isótopo.

Figura 9.8.- Sección longitudinal de un contador proporcional de trifluoruro de boro. Una cámara de ionización, un contador proporcional o un contador Geiger podrían llenarse de un gas conteniendo 10B, con lo que quedarían convertidos en detectores de neutrones al detectar alguno de los productos resultantes de la reacción citada que poseen la capacidad de producir ionizaciones al atravesar el gas. El gas de llenado generalmente empleado es el trifluoruro de boro (BF3). En la cámara de ionización se prefiere introducir el elemento sensible recubriendo con él los electrodos. En el contador Geiger los impulsos originados por los neutrones tendrían el mismo tamaño que los debidos a la radiación gamma y no existiría posibilidad de efectuar una discriminación para eliminar los impulsos indeseables generados por esta. Por consiguiente la introducción de un gas de llenado sensible a los neutrones se lleva a cabo en exclusiva en los contadores proporcionales. En la Figura 9.8 se ha dibujado la sección longitudinal de un contador

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proporcional de BF3. Resulta ilustrativo analizar la distribución de amplitudes de los impulsos proporcionados por estos detectores en respuesta a los neutrones incidentes. La cantidad de movimiento inicial del neutrón térmico que provoca la reacción con el boro así como la del núcleo de boro impactado, pueden considerarse despreciables por lo que la partícula alfa y el núcleo de litio iniciarán sus recorridos en direcciones opuestas. El alcance total de ambas partículas resulta inferior a 3 cm en aire a presión normal. Cuando las dimensiones y la presión interna del contador sean suficientes para que dicho recorrido tenga lugar dentro del volumen activo, toda la energía cinética liberada en la reacción contribuirá a la formación del impulso resultante y la distribución de amplitudes de tales impulsos adoptará la forma indicada en la Figura 9.9.a). El pico de mayor amplitud de dicha figura corresponde a las reacciones en las que el núcleo de litio queda excitado y cuyos fotones gamma de desexcitación escaparán del contador. El pico menor corresponde a las reacciones en las que los núcleos de litio no quedan excitados. Según lo dicho en 9.1, las áreas de ambos picos deberán estar en relación 95 a 5. Los impulsos de muy pequeña amplitud corresponden a efectos de fotones gamma, ruidos parásitos, etc.

Figura 9.9.- Espectros de amplitudes en detectores de neutrones de BF3.

a) Detector de gran diámetro. b) Detector de diámetro reducido (observación del ? efecto de pared? ). En el caso de que el contador sea más pequeño o de presión interna más reducida, aparece el llamado ? efecto de pared? consistente en que algunas partículas alcanzan la pared y la energía que en ella pierden no contribuye a ionizar el gas. La correspondiente distribución de amplitudes de impulsos adquiere entonces la forma indicada en la Figura 9.9.b), con dos mesetas o zonas planas relativamente cortas correspondientes a que una u otra de dichas partículas (partícula alfa o núcleo de litio) pierden en la pared la mayor parte de su energía cinética. Las dos figuras representan casos extremos y las distribuciones de amplitudes en los contadores comerciales aparecen como casos intermedios. Las presiones de llenado

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suelen estar comprendidas entre 200 y 600 mm de mercurio y sus dimensiones son tales que el efecto de pared se presenta en una proporción notable. El espectro de amplitudes de impulsos resulta pues, en estos detectores, más dependiente de las condiciones físicas y geométricas del detector que de la energía de las partículas ionizantes. El objetivo de un contador de BF3 para neutrones no es otro que el de detectar los neutrones que inciden sobre él, sin que se pretenda obtener ninguna información significativa sobre su energía. Sin embargo, los circuitos electrónicos que registren los impulsos del contador deberán eliminar, mediante un discriminador simple de amplitudes, los impulsos parásitos menores no provocados por los neutrones. El nivel de discriminación deberá situarse en un punto estable en el que la curva dN/dE del detector presente una zona plana para que las derivas que puedan producirse en la tensión aplicada al contador, en el propio nivel de discriminación, etc. no afecten a la sensibilidad efectiva del sistema. El nivel de discriminación deberá corresponder aproximadamente al punto medio del intervalo en que no aparecen impulsos, tal como se ha indicado en las citadas figuras. Como en todos los detectores de ionización, el contador proporcional presenta una curva característica que consta de tres regiones. La primera es de crecimiento de la corriente (o su equivalente que es la tasa de impulsos recogidos en los electrodos) con la diferencia de potencial aplicada. La segunda es de una pendiente de crecimiento mucho más suave (zona de saturación) de forma que el valor de la corriente resulta prácticamente independiente de la tensión aplicada. En la tercera, el campo eléctrico es muy intenso produciendo una descarga semiautónoma; la corriente vuelve a aumentar apreciablemente con la tensión de polarización. La forma de la curva característica viene determinada por la geometría del detector, el gas de llenado y el tipo e intensidad de la radiación incidente. Las curvas de distribución de amplitudes de las Figuras 9.9 corresponden a la detección de un flujo de neutrones térmicos en presencia de un flujo débil de radiación gamma. Cuando, por el contrario, el nivel de radiación gamma es muy elevado como sucede cerca del núcleo de un reactor, dicha radiación provoca en el contador un gran número de impulsos menores pero cuyo apilonamiento da lugar a un número apreciable de impulsos de amplitud análoga a los resultantes de la detección de neutrones. En la Figura 9.10 se han dibujado las curvas características correspondientes a un contador proporcional de BF3, obtenidas con ayuda de una fuente de neutrones de polonio-berilio a la que se han superpuesto sucesivamente campos de radiación gamma de tres intensidades distintas. En ausencia de radiación gamma y empleando para contar los impulsos un equipo electrónico suficientemente sensible, la característica presenta una zona plana de más de 200 voltios, dentro de la cual resultan las medidas prácticamente independientes de variaciones en la alta tensión aplicada al contador. Al aumentar la intensidad de la radiación gamma superpuesta, la zona plana de la característica se estrecha por el efecto de apilonamiento de los impulsos producidos por dicha radiación. La zona plana deja prácticamente de existir cuando el contador está sometido a una intensidad superior a los 200 R/h. Los impulsos suelen tener un tiempo de elevación del orden de 5 x 10-8 s. Con capacidades asociadas al electrodo colector de hasta varios centenares de picofaradios la amplitud viene a ser de varios milivoltios; ello permite emplear cómodamente longitudes

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de cable coaxial de 7 u 8 metros entre el contador y el amplificador o preamplificador de impulsos correspondiente. Estos contadores pueden operar normalmente hasta un ritmo de 105 impulsos/s.

Imp/min.(unidades arbitrarias)

1.000 12 D

10

C B

A

100 8

6 10 4

2

AB C

A = 0 R/h B = 60 R/h C = 250 R/h D = 1.200 R/h

D

01

0 1 2 1.900 3 4 5 2.000 6 7 8 2.100 9 10 112.200 12 13 142.300 15 16 172.400 18 Tensión aplicada al contador

Figura 9.10.- Curvas características de un contador proporcional de BF3 en presencia de radiación gamma.

9.4.- Detectores de ionización de impulsos con revestimiento de boro. Otros contadores y cámaras detectoras de neutrones, en lugar de estar llenos de BF3 lo están de argón u otro gas conveniente y tienen en cambio sus electrodos recubiertos de una capa de boro en la que se liberan las partículas alfa y los núcleos de litio por la acción de los neutrones incidentes. Esto se da especialmente en las cámaras de ionización. Por moverse en direcciones opuestas, sólo una de las dos partículas de cada reacción penetrará en el gas del contador y provocará la ionización correspondiente. El alcance de las partículas alfa de 1,4 MeV en el boro del recubrimiento viene a ser de 0,85 mg/cm2 y el de los núcleos de litio es menor. Para un espesor del recubrimiento de boro de 1 mg/cm2, la Figura 9.11 proporciona el espectro esquematizado de amplitudes de impulsos que cabe esperar ahora. Se trata de la superposición de dos rectángulos, uno correspondiente a la acción de las partículas alfa y otro de los núcleos de litio. En uno y otro caso los espectros se extienden con probabilidad uniforme desde una amplitud máxima para reacciones producidas en la superficie del recubrimiento de boro en contacto con el gas, hasta un valor nulo cuando la reacción tiene lugar en la capa más profunda del boro, y ninguno de los productos de la reacción alcanza el gas del contador.

16 / 9.- DETECTORES DE NEUTRONES. dn/dE

7

Li

α

0,88

1,47

MeV

Figura 9.11.- Espectro de amplitudes en contadores de neutrones con pared recubierta de boro. El número medio de impulsos por segundo que proporcione un detector conteniendo 10B y sumergido en un flujo de neutrones, será proporcional al número medio R de reacciones (n, α) que tengan lugar en él. El número dR de dichas reacciones que se verifiquen en el elemento dV del volumen activo del detector, provocadas por neutrones con energías comprendidas entre E y E + dE que se hallen presentes en un flujo total φ, vendrá dado por

dR = N(xyz) σ (E) φ (Exyz) dE dV

(9.17)

siendo N(xyz) el número de átomos de 10B por unidad de volumen en el punto de coordenadas xyz. El número medio total de reacciones por segundo en todo el volumen activo de V del detector, provocadas por neutrones de cualquier energía será: ∞

R = ∫ ∫ N(xyz) σ (E) φ (Exyz) dE dV

(9.18)

V 0

Si el flujo neutrónico es uniforme en el volumen V y es Nt el número total de núcleos de 10B contenidos en él, la anterior expresión se reduce a ∞

R = N t ∫ σ (E) φ (E) dE

(9.19)

0

Si además los neutrones son todos de energías inferiores a los 30 keV para los que se cumple la relación (9.16), y recordando que es φ = n ν, donde n es el número de neutrones por unidad de volumen, se tendrá

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 17 30 keV

R = Nt σ 0ν 0

∫

n(E) dE = N t σ 0 ν 0 n

(9.20)

0

o sea, R = 8,5x 10-16 N t n

(9.21)

independientemente de la energía de los neutrones con tal de que ésta no exceda de los 30 keV. Si p(E) representa la probabilidad de que por cada reacción (n, α) que tenga lugar en el detector, se origine un impulso eléctrico capaz de ser registrado por el equipo electrónico asociado, el número de impulsos por segundo que este último registrará vendrá dado por Imp/s = N t σ 0 ν 0 ∫ p(E) n(E) dE

(9.22)

Con el fin de eliminar el ruido de fondo y otros efectos parásitos o indeseables, el equipo electrónico poseerá un determinado nivel de sensibilidad o discriminación y registrará únicamente los impulsos de amplitud superior a dicho nivel. Operando en la zona plana de la característica del detector, la citada probabilidad p(E) es prácticamente igual a la unidad, como se deduce de la misma existencia de dicha zona plana, ya que al aumentar la tensión que se aplica al detector y hacerse mayores todos sus impulsos el número de los contados por unidad de tiempo no cambia apreciablemente. si, en tales condiciones, se define la sensibilidad S del detector como el número de impulsos que proporciona por segundo y por unidad de flujo neutrónico, de la anterior igualdad (9.22) resulta

S=

Imp/s = N t σ 0 v0 φ v

(9.23)

habiendo puesto φ = n v y siendo v la velocidad media de los neutrones. Esta expresión es válida para neutrones de energía inferior a 30 keV con la suposición añadida de flujo constante en todo el volumen del contador. Para neutrones térmicos la sensibilidad de los contadores de 10B suele estar comprendida entre 1 y 15 imp/s por unidad de flujo, o sea, por neutrón/cm2 A s, para contadores cilíndricos de unos 30 cm de longitud y de 2 a 8 cm de diámetro.

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Los conceptos de sensibilidad y eficiencia de un detector no son exactamente equivalentes. En el presente caso, la eficiencia se define como la relación entre el número de neutrones detectados y el de los que han incidido sobre el detector, o sea como la probabilidad de que sea contado un neutrón que alcanza el detector. Para un detector enteramente inmerso en un haz direccional de neutrones la eficiencia varía notablemente con la orientación relativa de ambos, mientras que la sensibilidad es mucho menos afectada por dicha orientación, sobre todo si la presencia del detector no perturba notablemente el haz. Si el detector está sumergido en un medio difusor de neutrones, en el que éstos inciden por igual desde todas direcciones, eficiencia y sensibilidad vienen a ser conceptos semejantes, aunque expresados numéricamente en forma distinta. La eficiencia de un contador cilíndrico proporcional de 10B, situado en un haz de neutrones térmicos paralelo al eje del contador, es del orden del 25 %. Según se deduce de la Figura 9.7, la sensibilidad de los contadores de boro disminuye notablemente al aumentar la energía de los neutrones. Para neutrones rápidos la sensibilidad es muy pequeña, pero puede aumentarse en un factor considerable rodeando al contador de una sustancia hidrogenada que disminuya la energía de los neutrones rápidos incidentes y haga más probable su detección. Sin embargo, la eficiencia de un tal dispositivo depende marcadamente de la energía de los neutrones, así como de la orientación del detector respecto a la fuente de neutrones. 9.5.- Cámaras de corriente con revestimiento de boro. Para la medida de flujos no muy débiles de neutrones térmicos (superiores en general a los 103 neutrones/cm2 A s), se suelen emplear cámaras de corriente llenas de un gas inerte y con sus electrodos revestidos de boro enriquecido en 10B. Su sensibilidad se aumenta incrementando la superficie recubierta de los electrodos, para lo cual éstos suelen estar constituidos por varios planos paralelos o por cilindros coaxiales. Con un depósito de boro enriquecido al 90 % puede alcanzarse una sensibilidad del orden de 10-16 amperios por cada cm2 de superficie revestida y por unidad de flujo. En la Figura 9.12 se ha dibujado esquemáticamente la sección longitudinal de una de estas cámaras, mostrando la disposición de sus electrodos.

Figura 9.12.- Cámara de ionización de caras planas paralelas con revestimiento de 10B.

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La sensibilidad global de las cámaras comerciales suele estar comprendida entre 5 x 10-15 y 5 x 10-14 amperios por unidad de flujo térmico. Su forma suele ser cilíndrica y sus dimensiones exteriores del orden de 35 cm de longitud y 10 cm de diámetro. El gas de llenado suele ser hidrógeno o nitrógeno a una presión del orden de la atmosférica o algo mayor. Estas cámaras de corriente resultan también sensibles a la radiación gamma, por lo que la presencia de ésta viene a perturbar la medida del flujo de neutrones. La importancia relativa de esta perturbación es pequeña cuando los flujos a medir son altos y, por tanto, capaces de producir corrientes de ionización relativamente intensas. En cambio, es el efecto de la radiación gamma el que limita fundamentalmente el mínimo flujo neutrónico que puede medirse con una cámara. Se emplean universalmente estas cámaras para medir el flujo neutrónico en un reactor nuclear. La mayor fuente de radiación gamma en el interior de un reactor radica fundamentalmente en la acumulación de productos de fisión en el combustible; un blindaje discreto de la cámara con una sustancia poco absorbente para los neutrones y muy absorbente para la radiación gamma ayuda a disminuir la corriente relativa debida a esta última. Por ejemplo, rodeando la cámara con una capa de plomo de 10 cm de espesor se llega a reducir su sensibilidad a la radiación gamma en un factor de 200, aproximadamente, y la sensibilidad a neutrones térmicos en un factor de 1,6. Respecto a su uso en reactores nucleares hay que hacer notar que por la permanencia prolongada en un elevado flujo de neutrones, la propia cámara puede activarse y formarse en ella muy diversos isótopos radiactivos, según cuáles sean los materiales que la constituyan y las impurezas que contengan. Por ejemplo, si los electrodos de la cámara son de aluminio, se forma 28Al que emite partículas beta de 3 MeV y fotones gamma de 1,8 MeV. Tras cesar el flujo de neutrones en una cámara de esta clase queda una corriente residual, provocada por las citadas radiaciones, que disminuye con el período de 2,4 minutos propio del 28Al hasta hacerse comparable a la corriente provocada por otros isótopos menos abundantes, pero con período más largo, como manganeso, cobre, cinc, hierro, níquel, cobalto y molibdeno. Se reducen considerablemente estas actividades residuales construyendo la cámara con magnesio muy puro o una aleación de magnesio y circonio, elementos ambos con una actividad residual considerablemente más débil y de vida media más corta que la del aluminio. En todo caso, y para disminuir la importancia relativa de la corriente parásita provocada por la radiación gamma, cualquiera que sea su origen, conviene que la relación entre la superficie total recubierta de boro y el volumen de la cámara sea lo mayor posible. Una disminución importante de la influencia de la radiación gamma se consigue en las cámaras compensadas, cada una de las cuales está constituida por dos cámaras idénticas, una de ellas con los electrodos recubiertos de boro y la otra sin recubrir; ambas cámaras están montadas como indica esquemáticamente la Figura 9.13, de forma que sus corrientes se restan en el instrumento de medida. Si las corrientes producidas por la radiación gamma en ambas cámaras fueran iguales, la corriente indicada por el instrumento sería debida únicamente al flujo de neutrones. La no uniformidad del campo de radiación gamma en el volumen ocupado por la cámara, hace que no sea tan simple el conseguir la anterior condición.

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+

-

γ

γ

-

+

Figura 9.13.- Disposición esquemática de una cámara de ionización compensada. La compensación puede ajustarse mecánicamente variando el volumen de una de las cámaras en un campo de radiación gamma exento de neutrones, hasta que la corriente que atraviesa el aparato de medida sea nula. Sin embargo, el ajuste de compensación suele realizarse eléctricamente, variando la tensión aplicada a la cámara compensadora, hasta anular la corriente en el instrumento. Conviene entonces que el campo eléctrico en la cámara compensadora no sea uniforme en todo el volumen activo de la misma, lo que se consigue, por ejemplo, dando a uno de los electrodos una forma acanalada, como quiere indicar la Figura 9.14, en la que se ha representado esquemáticamente parte de una sección, a lo largo del eje, de una cámara cilíndrica. No se alcanza entonces simultáneamente la saturación en todo el volumen activo de la parte compensadora de la cámara y su corriente varía con la tensión aplicada. Este efecto se hace patente en la Figura 9.15, donde se han representado independientemente las curvas de saturación de los dos volúmenes de la cámara cilíndrica cuya sección es la indicada en la Figura 9.14.

Figura 9.14.- Sección longitudinal de una cámara de ionización con compensación ajustable eléctricamente.

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Figura 9.15.- Curvas de saturación de la cámara de compensación representada en la Figura 9.14. La experiencia muestra que el ajuste eléctrico de la compensación se altera con el tiempo para una cámara operando cerca del núcleo de un reactor. La causa de esta alteración debe hallarse, según ya se ha indicado, en la no uniformidad del campo de radiación gamma en que se halla sumergida la cámara, así como por activación de las sustancias cercanas y, como también se ha dicho, de los materiales que constituyen la propia cámara. Existen cámaras de ionización de corriente para neutrones dotadas de compensación fija. En ellas los dos volúmenes sensibles (el uno a neutrones y a radiación gamma; el otro solo a radiación gamma) son iguales pero los electrodos presentan una superficie lisa. En consecuencia la corriente de los dos volúmenes presenta una curva de saturación similar y prácticamente de pendiente nula. En estas circunstancias si la corriente de saturación del primer volumen es I n+? y la del segundo volumen es I ? (ver Figura 9.13) la corriente debida a los neutrones es In+? - I? con independencia de la tensión de polarización de los electrodos, siempre que se encuentren dentro de la región de saturación. Este tipo de compensación no permite hacer retoques mecánicos ni eléctricos y el buen comportamiento de la cámara depende del diseño y la construcción de la misma. Cuando se para un reactor tras un tiempo relativamente largo de operación se observa un cambio de la compensación en las cámaras compensadas. La variación de la corriente de la cámara con el tiempo transcurrido tras la parada del reactor viene representada en la Figura 9.16. La corriente de la cámara debería seguir fielmente la curva de decrecimiento de los neutrones diferidos si su compensación fuese perfecta; deja en cambio de hacerlo al cabo de unos 12 minutos de parar el reactor, haciéndose pronto despreciable la corriente debida a los neutrones frente a la corriente motivada por el campo de radiación gamma reinante. En la misma Figura 9.16 se ha representado la curva que proporciona en idénticas circunstancias una cámara no compensada; pese al desajuste de compensación, la cámara compensada presenta un margen de medida mayor en casi dos décadas.

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Figura 9.16.- Corriente entregada por una cámara situada junto al núcleo de un reactor tras la parada de éste. (Tomado de M. A. Schultz: @Control of Nuclear Reactors and Power Plants@, por cortesía de McGraw-Hill Book Company)

9.6.- Cámaras de fisión. En lugar de boro puede emplearse un material fisionable, generalmente uranio, para recubrir los electrodos de una cámara de ionización; los neutrones provocarán la fisión en dicho material y los productos de fisión, con fuerte carga eléctrica y altamente energéticos, producirán una ionización detectable. Como ya se ha dicho, la sección eficaz de fisión del 235U es mucho mayor para neutrones lentos que para rápidos. Por el contrario, tratándose de 238U sólo pueden provocar su fisión los neutrones de energía superior a 1,45 MeV. Según la proporción de dichos isótopos en el revestimiento del detector, así será la sensibilidad de éste respecto a una u otra clase de neutrones. Si ambos isótopos están presentes pueden estimarse separadamente los efectos de neutrones rápidos y lentos realizando dos medidas, una en condiciones ordinarias y otra con el detector envuelto por una lámina de cadmio que absorba los neutrones lentos; la segunda medida dará aproximadamente el flujo de neutrones rápidos y la diferencia entre ambas el de neutrones lentos. Dada la alta energía de los productos de fisión, estos detectores se emplean generalmente como cámaras de ionización de impulsos o de corriente; es decir, que la tensión aplicada entre los electrodos es relativamente baja y no tiene lugar el fenómeno de la multiplicación gaseosa. Se obtienen impulsos del orden de 200 microvoltios con capacidades asociadas al electrodo colector del orden de 200 picofaradios. Eligiendo adecuadamente el nivel de discriminación o sensibilidad del equipo de amplificación y recuento de impulsos, se obtiene una curva característica (número de impulsos por minuto en función de la tensión aplicada), con una zona de poca pendiente de hasta 400 voltios de extensión, para una fuente de neutrones de intensidad constante.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 23

Aún empleando uranio enriquecido al 90 % en 235U, la eficiencia de las cámaras de fisión para neutrones lentos es inferior, para un mismo volumen total, a la de los contadores proporcionales de BF3. Presentan, en cambio, aquéllos la notable ventaja, cuando se emplean como contadores de impulsos, de que los resultantes de la fisión son de mucha mayor amplitud que los producidos por la radiación gamma y, por consiguiente, muy fáciles de discriminar en presencia de un fondo, aunque sea intenso, de dicha radiación. Se aumenta la eficiencia de las cámaras de fisión aumentando la superficie activa recubierta, al igual que en los contadores con depósito de boro. Deben discriminarse ahora también los impulsos debidos a los fragmentos de fisión de los producidos por las partículas alfa del uranio; el apilonamiento de los impulsos provocados por estas últimas limita la cantidad de uranio que puede introducirse en la cámara. Las cámaras de fisión suelen estar constituidas por varios cilindros coaxiales muy próximos unos a otros, alternativamente conectados a la alta tensión y masa, y revestidos en ambas superficies de uranio enriquecido, salvo en la superficie exterior del cilindro más externo y en la superficie interior del más interno. En la Figura 9.17 se han dibujado tres curvas de discriminación obtenidas con una cámara de fisión. En ordenadas se ha representado el número de impulsos por unidad de tiempo con amplitud igual o mayor que la abscisa correspondiente. La curva A fue trazada en ausencia de neutrones y de radiación gamma; los impulsos son debidos a las partículas alfa del uranio. La curva B fue trazada en presencia de un campo de radiación gamma muy intenso, de 200.000 R/h sin flujo de neutrones. La curva C, en presencia de un débil flujo de neutrones y en ausencia de radiación gamma. Puede verse cómo, al elevar el nivel de discriminación, disminuye mucho más rápido el número de impulsos debido a apilonamiento de pequeños impulsos producidos por la radiación gamma que el debido a un flujo de neutrones.

∆

x x

o

oo

∆ o o oo

∆

o

x

o o

x ∆ x

∆

Figura 9.17.- Curvas de discriminación correspondientes a una cámara de fisión: A) radiación a + ruido; B) radiación ? (200.000 R/h) + radiación a + ruido; C) neutrones + radiación a + ruido. (Tomado de M. A. Schultz: ? Control of Nuclear Reactors and Power Plants? , por cortesía de McGraw-Hill Book Company).

24 /9.- DETECTORES DE NEUTRONES.

El fenómeno del apilonamiento viene determinado no sólo por el detector, sino también por el equipo electrónico asociado, el cual debe estar diseñado de forma a tener también en cuenta la existencia de un fuerte flujo indeseado de radiación gamma junto al débil flujo de neutrones que en muchas ocasiones se pretende medir. El apilonamiento de impulsos de radiación gamma disminuye haciendo los impulsos lo más estrechos posibles, hasta que su anchura en la base sea pocas veces mayor que su tiempo de elevación, el cual naturalmente tiene un límite inferior fijado por el propio detector. Por otra parte, si el diseño no es apropiado, el apilonamiento de impulsos debidos a la radiación gamma puede llegar a bloquear los equipos electrónicos. 9.7.- Detectores de boro y de fisión en los reactores nucleares. Es interesante comparar las características de detectores de neutrones descritos anteriormente, desde el punto de vista de su utilización en un reactor nuclear. El flujo medio de neutrones en el núcleo de un reactor desde que se inicia su arranque hasta que se le lleva hasta su nivel de máxima potencia puede variar en un margen de más de 10 décadas. Ningún detector de los conocidos hasta ahora alcanza un margen de operación tan amplio. En la Figura 18 se han querido indicar los intervalos abarcados por los siguientes detectores típicos con aproximadamente el mismo volumen sensible: a) un contador proporcional de BF3 con boro enriquecido al 96 % en B 10; b) una cámara de fisión revestida de uranio enriquecido al 90 % en 235U; c) una cámara de fisión revestida de uranio enriquecido al 20 % en 235U; d) una cámara de ionización compensada con revestimiento de boro enriquecido al 96 % en 10B; e) una cámara de ionización no compensada con revestimiento de boro enriquecido al 96 % en 10B y f) la misma cámara de fisión del caso b) utilizada ahora como cámara de corriente continua.

Φ

Figura 9.18.-Márgenes de operación y respuesta de diversos detectores de neutrones.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 25

En la citada figura se ve como el margen de operación de las cámaras de fisión y de los contadores de BF3 es de la misma amplitud; ambos pueden entregar normalmente hasta 105 impulsos por segundo. En cambio, la sensibilidad de los contadores de BF3 es aproximadamente diez veces mayor que la de una cámara de fisión de las mismas dimensiones. Pese a su menor sensibilidad, las cámaras de fisión son generalmente preferidos para medir los flujos débiles de neutrones presentes durante las primeras fases del arranque de un reactor de potencia. La razón fundamental estriba en la mayor facilidad de discriminación de los impulsos debidos a los neutrones frente a los provocados por la radiación gamma, debido principalmente a la acumulación de productos de fisión en el combustible. Un contador de BF3 opera difícilmente en un campo de radiación gamma de 300 R/h, mientras que una cámara de fisión puede proporcionar medidas aceptables, como ya se ha visto, en campos superiores a 100.000 R/h. Se ha observado, además, que los contadores de BF3 resultan perjudicados tras una breve permanencia en campos del orden de 100.000 R/h, aunque hubieran permanecido desconectados de toda fuente de tensión. En muchos casos, al cabo de varias semanas vuelven a recuperar sus características primitivas. El mecanismo de este fenómeno no está bien conocido, aun cuando se sospecha que tiene lugar una descomposición parcial del BF3. Las cámaras de fisión resisten irradiaciones gamma mucho mayores sin perjuicio notable. Los contadores proporcionales de BF3 entregan impulsos de una amplitud media diez veces mayor que la cámaras de fisión actuando como cámaras de impulsos por lo que los correspondientes amplificadores electrónicos pueden ser más sencillos en el primer caso. En contrapartida, las tensiones de alimentación de las cámaras de fisión son mucho más reducidas. Además, las características de los contadores de BF3 se deterioran rápidamente al funcionar a temperaturas superiores a los 110 ? C mientras que las cámaras de fisión pueden funcionar a temperaturas de hasta 300 ? C. Las cámaras de ionización compensadas son los detectores de margen más extenso, ya que puede abarcar más de ocho décadas; en general, dos más que las cámaras idénticas sin compensar. Suelen estar recubiertas de boro enriquecido por resultar más baratas y con mayor margen de operación que si están recubiertas de uranio enriquecido. Al estar continuamente expuestos a un haz de neutrones térmicos, la sensibilidad de los detectores de boro y de los de fisión, disminuye por disminuir el número de átomos de 10B o 235U presentes en ellos. Si suponemos a uno de estos detectores sometido a un flujo constante f de neutrones térmicos, el número R0 de reacciones (n, a) o de fisiones por segundo que tendrán lugar en el instante inicial vendrá dado por

R0 = N 0 σ φ

(9.24)

siendo N0 el número de átomos de 10B o 235U contenidos en dicho instante en el detector y s la sección eficaz media de la reacción 10B (n, a)7Li para el contador de boro, o de la fisión del 235U para la cámara de fisión.

26 /9.- DETECTORES DE NEUTRONES.

Si se mantiene un flujo f de neutrones constante de interacción con el detector, en un instante posterior quedan N átomos disponibles y la ley de desaparición de los mismos puede expresarse por dN =- Nσ φ dt

(9.25)

N(t) = N 0 e- σ φ t

(9.26)

N σ φ = N 0 σ φ e- σ φ t

(9.27)

R(t) = R0 e- σ φ t

(9.28)

de donde se obtiene

o si se prefiere

de donde

ley que da la evolución temporal de la tasa de reacciones (n, a) con el boro o de fisiones del material fisionable. La sensibilidad del detector se reducirá por ejemplo al 95 % de la sensibilidad inicial cuando se verifique

R(t) R0

= 0,95 = e- σ φ t

(9.29)

es decir cuando haya recibido una fluencia φ t=

1 1 ln σ 0,95

(9.30)

La sección eficaz de la reacción 10B (n, a)7Li es, como ya se ha dicho, de 3.840 barns para neutrones térmicos con lo que resulta para el presente caso una fluencia (flujo integrado) de 1,34 A 1019 neutrones/cm2. Supuesta una tasa de fluencia (flujo) constante de 106 neutrones/cm2 A s, ello supondría una operación continuada del detector durante casi medio millón de años, mientras que operando en una tasa de fluencia (flujo) constante de 1012 neutrones/cm2 A s, la sensibilidad se reduciría en un 5 % en menos de un año. Esto demuestra la conveniencia de evitar que estos detectores estén sometidos a flujos altos, alejándolos de los núcleos de los reactores cuando éstos han alcanzado un nivel de potencia elevado, y volviéndolos a acercar después de parados para proceder a un nuevo arranque.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 27

La sección eficaz de fisión del 235U el flujo para neutrones térmicos es de 550 barns. En las mismas condiciones, la vida de un detector de fisión es, por consiguiente, unas siete veces mayor que para un contador de BF3. Se emplean cámaras de fisión muy pequeñas para ser colocadas entre los elementos combustibles de un reactor y medir así el flujo neutrónico local a niveles altos de potencia. Sus dimensiones son del orden de unos pocos centímetros de longitud y menos de un centímetro de diámetro. Suelen estar llenas de argón a presión de varias atmósferas, a fin de que el alcance de los productos de fisión no supere las pequeñas dimensiones del volumen de detección. Cuando el revestimiento de estas cámaras es de 235U prácticamente puro, dado el flujo alto de neutrones a que suelen estar sometidas, su sensibilidad disminuye con gran rapidez por agotamiento del material fisionable. Se reduce notablemente este efecto recubriendo las paredes interiores de la cámara con una mezcla adecuada de material fisionable y material fértil de manera que el segundo se convierta en material fisionable a medida que se agota el primitivo. Así se han construido cámaras de fisión miniatura revestidas con una mezcla de 239Pu y 238U cuya sensibilidad no disminuye en más del 5 % tras haber sido irradiadas con una tasa de fluencia (flujo integrado) de 4,8 A 1021 neutrones/cm2, lo que corresponde a más de año y medio de operación continuada a una tasa de fluencia (flujo) constante de 1014 neutrones/cm2 A s.

9.8.- Contadores proporcionales de helio 3. Se utilizan también contadores proporcionales para la detección de neutrones basados en la reacción 1 He3 + n1 → H 3 + p

La energía liberada en la reacción (764 keV para el caso de neutrones térmicos) aparece como energía cinética del protón y tritión resultantes, dividiéndose entre ambos en la relación de 3 a 1 aproximadamente. Si el recorrido de dichas partículas termina en el gas del contador, toda su energía se consume prácticamente en producir ionización, obteniéndose entonces los impulsos de amplitud máxima en respuesta al neutrón incidente. Por el contrario, si alguna de las dos partículas alcanza la pared del detector antes de consumir toda su energía cinética, se obtiene a la salida un impulso de menor amplitud (efecto de pared). Si el neutrón incidente es un neutrón térmico, el protón y el tritión salen despedidos en direcciones opuestas, de acuerdo con el principio de conservación de la cantidad de movimiento. En consecuencia, si la presión del gas es suficiente para que la suma de los recorridos de ambas partículas sea pequeña respecto al diámetro del detector, tan sólo una de ellas podrá alcanzar la pared. El impulso de amplitud mínima corresponderá a la absorción en la pared de toda la energía del protón, siendo entonces

28 /9.- DETECTORES DE NEUTRONES.

sólo el tritión el que produce la ionización gaseosa inicial. La presión de llenado juega, pues, un papel fundamental, no sólo en la eficiencia de estos detectores, sino también en el espectro de amplitudes de los impulsos entregados en respuesta a neutrones de aproximadamente la misma energía. Dicha presión de llenado suele estar comprendida, para contadores comerciales, entre 1 y 10 atmósferas. En la Figura 9.19 se dan los espectros de amplitudes de impulsos en respuesta a un haz de neutrones térmicos para detectores con presiones de llenado de 1, 2 y 6 atmósferas; para 10 atmósferas el espectro es prácticamente similar al de 6. En el último de los espectros citados, el pico A de máxima energía corresponde al caso más probable de que ambas partículas, protón y tritión, consuman toda su energía en el seno del gas; en la zona B, los impulsos resultan atenuados por consumirse en las paredes parte de la energía de la reacción; el pequeño pico C de impulsos de tamaño mínimo corresponde a la absorción por la pared de toda la energía del protón; los impulsos de todavía menor amplitud son ya debidos al ruido de fondo.

Figura 9.19.- Espectros de amplitudes de impulsos, en respuesta a un haz de neutrones térmicos, de detectores de 3He con distintas presiones de llenado. La mayor sección eficaz de la reacción empleada y las altas presiones aceptables para el gas de llenado hacen que, a igualdad de volumen, los detectores de 3He tengan una eficiencia notablemente mayor que los de BF3. La eficiencia relativa de aquéllos respecto a éstos aumenta con la energía de los neutrones incidentes, como se deduce fácilmente de una comparación entre las curvas de secciones eficaces de las reacciones respectivas. En la Figura 9.20, se da la eficiencia relativa de un detector de 3He respecto a otro de BF3 en función de la presión de llenado enriquecido al 90 % en 10B y lleno a la presión atmosférica, tanto en la detección de neutrones térmicos, de energía notablemente inferior a 0,5 eV, como de los llamados epitérmicos o epicádmicos de energía superior a dicho valor, capaces, por tanto, de atravesar sin absorción apreciable una delgada lámina de cadmio.

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Figura 9.20.- Eficiencia de detectores de 3He respecto a la de un contador de BF3 en función de la presión de llenado. De la Figura 9.20 se deduce que cuando se pretende únicamente detectar neutrones térmicos conviene emplear un detector de 3He de 4 ó 6 atmósferas, pues poco se gana respecto a estos últimos con uno de 10 atmósferas; el aplanamiento de la curva correspondiente se debe a el autopantallamiento de las zonas gaseosas de mayor diámetro. En cambio, para neutrones epicádmicos, intermedios o rápidos, la eficiencia relativa aumenta notablemente con la presión de llenado. Otra característica de estos detectores, en la práctica ventajosa, consiste en que, pese a sus altas presiones de llenado, su tensión de funcionamiento no es elevada. Para 2 atmósferas suele ser de 900 voltios y para 10 atmósferas de unos 1.500 voltios. En cambio, contadores de BF3 llenos a una atmósfera y de aproximadamente las mismas dimensiones, suelen necesitar tensiones superiores a los 3.000 voltios.

Figura 9.21.- Curvas características de un contador de 3He de 2 atmósferas a distintas temperaturas.

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Otra cualidad importante de los detectores de 3He radica en su independencia o resistencia a variaciones fuertes en las condiciones ambientales. En la Figura 9.21 se indica la variación en la curva característica que presenta un contador de 2 atmósferas para temperaturas de -70? , 20? y 150? C. Por otra parte, es posible conseguir con ellos una buena discriminación de los impulsos provocados por neutrones frente a los provocados por radiación gamma, lo que les permite operar en campos de dicha radiación de hasta 10.000 R/h, resistiendo sin deteriorarse niveles de radiación superiores. Por diferencia entre amplitudes de impulsos se puede distinguir, mediante detectores de 3He, entre neutrones rápidos y lentos. Así lo demuestra la Figura 9.22, en la que se ha trazado la curva de frecuencia media de impulsos en función de su amplitud, obtenida con un contador de 4 atmósferas para un haz de neutrones compuesto por los procedentes de una fuente de neutrones térmicos mezclados con los de otra de neutrones monoenergéticos de 480 keV. La resolución correspondiente al pico de estos últimos es aproximadamente del 10 %.

Figura 9.22.- Espectro de amplitudes de impulsos proporcionado por un contador de 3He a 4 atmósferas en respuesta a un haz de neutrones lentos mezclado con un haz de neutrones de 480 keV. Los tiempos de colección de iones, y, por consiguiente, los tiempos de elevación del impulso resultante, dependen de la presión de llenado, siendo del orden de unas pocas décimas de microsegundo para los de menos presión, y de unos 3 µs para los de 10 atmósferas. Un tiempo de elevación de 2 µs permite operar aceptablemente hasta ritmos de recuento de 104 impulsos por segundo.

9.9.- Detección de neutrones rápidos por protones de retroceso. Como ya se ha indicado anteriormente, en la colisión elástica de neutrones rápidos de energía En con núcleos de hidrógeno, estos últimos adquieren energías que pueden variar entre 0 y En, siendo entonces llamados protones de retroceso. La energía así adquirida la pierden seguidamente por ionización de los átomos que encuentran en su trayectoria, lo que hace posible la detección de los neutrones incidentes.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 31

Los detectores de neutrones rápidos basados en este principio pueden contener el necesario hidrógeno formando parte de una sustancia sólida, generalmente parafina o polietileno, de la que se desprenden los protones que penetran en el volumen sensible del detector. O bien, y en lugar de ello, el hidrógeno puede formar parte principal del gas de llenado, en unión de otro gas noble pesado, como kriptón o xenón, estos últimos para disminuir el recorrido de los protones aumentando la densidad de ionización. Si incide un flujo uniforme f de neutrones monoenergéticos de energía En sobre una región conteniendo NH núcleos de hidrógeno, el número Np de protones de retroceso originados por segundo vendrá dado por (9.31) N p = N H φ σ ( En ) siendo s (En) la sección eficaz del proceso (n, p), la cual fue representada en función de la energía en la Figura 9.2. Después de cada colisión, y para E n < 10 MeV, cualquier valor entre 0 y 10 MeV resulta igualmente probable para energía del protón de retroceso resultante. La probabilidad p(E)dE de que dicha energía esté comprendida entre E y E+dE será

p(E) dE =

dE

(9.32)

En

con lo que, llamando np(E) al número de protones de retroceso resultantes por unidad de intervalo de energía, se tendrá:

n p (E) dE = N H φ σ ( E n )

dE En

(9.33)

Si la amplitud del impulso eléctrico originado en el detector por cada protón de retroceso es proporcional a su energía, y corresponde a la energía Ed el umbral de sensibilidad o nivel de discriminación del equipo electrónico asociado, el número de impulsos registrados por segundo resultará ser En

σ ( En )

Ed

En

∫ n p (E) dE = N H φ

( E n - E d ) Imp/seg

(9.34)

32 /9.- DETECTORES DE NEUTRONES.

La energía umbral de detección suele estar, en la práctica, alrededor de 0,1 MeV, ya que los impulsos correspondientes a energías menores se confunden con los producidos por la radiación gamma generalmente presente. La sensibilidad resultante de estos detectores de neutrones rápidos es muy baja comparada con la de los detectores de 10B para neutrones lentos. Si el flujo de neutrones rápidos es suficientemente intenso, el detector puede funcionar como cámara de ionización de corriente. La intensidad de corriente entregada por tal cámara vendrá dada por

I=

e En e N H φ σ ( En ) En ∫ E n p (E) dE = 2ω ω 0

(9.35)

siendo e la carga del electrón y ? la energía media requerida para producir un par de iones en el gas de llenado de la cámara. Con una cámara de 1 litro de volumen útil llena de hidrógeno a presión normal y para neutrones incidentes de 1 MeV, resulta una sensibilidad de aproximadamente 5 A 10-16 amperios por unidad de flujo. 9.10.- Detectores de centelleo para neutrones. La colisión elástica con núcleos de hidrógeno es también el proceso primario que suele aprovecharse en los detectores de centelleo sensibles a neutrones rápidos. Para la detección de neutrones lentos suele, en cambio, utilizarse la reacción (n, ?), aunque también se emplean las reacciones (n, a) del boro 10 y del litio 7, ya citadas en el apartado 9.1. El elemento con el que interaccionan los neutrones puede ser un aditivo expresamente añadido a la sustancia luminiscente, como es el caso del boro, que se adiciona a líquidos o plásticos empleados en detectores de centelleo para neutrones lentos. En el caso del litio se suele emplear, en cambio, monocristales de yoduro de litio (LiI), análogos a los de (NaI) empleados para la detección de la radiación gamma. Todas las sustancias orgánicas empleadas en los detectores de centelleo resultan sensibles a los neutrones rápidos, al originarse en ellas protones de retroceso. Sin embargo, dada su notable eficiencia para electrones, resultan también muy sensibles a la radiación gamma, generalmente presente, dificultando la discriminación entre ambos tipos de radiaciones, a menos que se trate de neutrones muy energéticos que provoquen impulsos de amplitud media netamente superior a la provocada por los electrones secundarios liberados por la radiación gamma. Debido a ello, tales sustancias sólo se pueden emplear con éxito para la detección de neutrones de energías superiores a 10 MeV. El sulfuro de cinc es una sustancia apta para la detección de protones. Depositada sobre un soporte de plástico transparente, fue especialmente considerada como formando un detector de partículas alfa muy poco sensible a la radiación gamma. Podrá emplearse, por consiguiente, también para la detección de neutrones rápidos por la intervención de los protones de retroceso originados en el plástico del soporte. Suelen emplearse estos detectores en la dosimetría de neutrones rápidos.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 33

Añadiendo 10B al citado plástico de soporte del SZn pueden obtenerse también detectores eficaces de neutrones lentos, poco sensibles a la radiación gamma. Con un disco de plástico de 1mm de espesor, convenientemente cargado de ácido bórico enriquecido al 90 % en 10B y con depósito de SZn en ambas caras, se alcanza una eficiencia del 30 % en la detección de neutrones térmicos. Cuando los neutrones lentos no van acompañados de una radiación gamma notable, el detector de centelleo más eficiente es el constituido por un monocristal de LiI. Con cristales de 2 cm de espesor se alcanzan eficiencias del 90 % en la detección de neutrones térmicos. Al tener lugar la captura simple de un neutrón por un núcleo, el núcleo resultante suele quedar excitado y emitir inmediatamente varios fotones gamma en cascada, que totalizan una energía de 8 MeV, aproximadamente. La detección global de estos fotones gamma puede proporcionar impulsos de amplitud notablemente superior a la de aquellos fotones gamma que coexisten con el haz de neutrones incidente, por tener éstos, en general, una energía notablemente inferior. En consecuencia, se construye un eficiente detector de neutrones lentos, relativamente insensible a fotones gamma de baja energía, colocando unas placas de cadmio en un líquido de centelleo de volumen y densidad suficiente para absorber la mayor energía posible de la radiación gamma de captura neutrónica emitida por el cadmio. Se han utilizado detectores de centelleo de esta clase constituidos por volúmenes de líquidos orgánicos conteniendo cadmio, de varios centenares de litros, para detectar los neutrones lentos resultantes de la reacción

neutrino + H 11 → e01 + n10 y detectar así indirectamente los neutrinos.

9.11.- Detectores termoeléctricos. Como es sabido, cuando se conectan dos metales distintos, según indica la Figura 9.23, y se mantienen las dos soldaduras a temperaturas diferentes, aparece en los extremos del circuito una diferencia de potencial que es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos soldaduras. El conjunto constituye un termopar o par termoeléctrico. Dispositivos de esta clase se usan ampliamente para la medida de temperaturas.

34 /9.- DETECTORES DE NEUTRONES.

Metal B

Metal B

V

Metal A

T1

T2

Soldadura revestida de 10 B

Figura 9.23.- Disposición esquemática de un termopar sensible a neutrones. Si una sola de las soldaduras se reviste de boro y se expone el termopar a un flujo intenso de neutrones térmicos, se producirá en aquélla la reacción (n, a) del 10B, y toda o una parte de la energía cinética de las partículas producidas se transformará en calor que elevará la temperatura de la soldadura. La tensión de salida resultante proporcionará una medida del flujo de neutrones a que está sometido el termopar. Con un termopar de cromel-alumel y un recubrimiento adecuado de una de las soldaduras con boro enriquecido en 10B, se obtienen fuerzas electromotrices del orden de 600 microvoltios en flujos del orden de 1012 neutrones/cm2 A s. Se aumenta la sensibilidad conectando un conjunto de termopares idénticos en serie, constituyendo una termopila, y recubriendo de boro solamente las soldaduras pares o las impares. Todas las soldaduras revestidas se disponen muy juntas y se colocan en el punto donde donde se quiere medir el flujo neutrónico. Con dispositivos de esta clase, de volumen reducido, se alcanzan sensibilidades de varios milivoltios en flujos de 1011 neutrones/cm2 A s, suficientes para efectuar medidas en reactores de alto flujo. Como la resistencia interna de la termopila es muy baja, de sólo unos pocos ohmios, la señal de salida puede medirse a través de un simple galvanómetro o microamperímetro de baja resistencia. La tensión o corriente de salida proporcionada por una termopila resulta independiente de la temperatura ambiente, con tal de que ésta sea la misma para las dos soldaduras, las revestidas de boro y las que están sin revestir. Dados los fuertes gradientes de temperatura que pueden presentarse en el interior de un reactor, se hace preciso eliminar su influencia mediante una disposición adecuada. Si se coloca la termopila de forma que en un plano normal al gradiente de temperatura haya igual número de soldaduras revestidas y sin revestir, el efecto de dicho gradiente queda muy reducido. La escasa sensibilidad de estos detectores sólo los hace apropiados para medidas en el interior de reactores. Aparte de ello, su principal inconveniente radica en su reducida velocidad de respuesta; tardan varios segundos en señalar la amplitud total de un cambio brusco en el flujo de neutrones. Sin embargo, su reducido volumen y la simplicidad de la instrumentación que requieren les hacen muy útiles para ser empleados como sondas en el estudio de la distribución de flujo en el interior de un reactor de potencia. 9.12.- Detectores de semiconductor.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 35

Los detectores de semiconductor son capaces de detectar las partículas cargadas generadas por los neutrones al interaccionar con algunos elementos sensibles como son Li-6, B-10, H-1 o He-3. Para construir el detector se sitúa el elemento sensible bien próximo a la ventana del detector de semiconductor en forma de una lámina fina (radiador) o bien en una cámara para el caso del He-3 que se encuentra en forma gaseosa. Se podría pensar en introducir los elementos sensibles Li-6 y B-10 como dopantes de Si tipo p o Si tipo n, respectivamente, pero la concentración admitida por el material semiconductor es muy pequeña (- 1013 átomos A cm-3) y alejada de los valores que proporcionan una eficiencia razonable. Los materiales semiconductores son muy sensibles al daño producido por la acción directa de los neutrones. La degradación del semiconductor da comienzo para una fluencia de 109 n A cm-2 y la inutilización de este se manifiesta para una fluencia de 1010 n A cm-2. Este hecho establece una limitación importante para el uso de estos detectores de neutrones. Entre los diversos detectores de neutrones que se han diseñado con materiales semiconductores puede destacarse el espectrómetro sandwich de litio (Figura 9.24). Consta de una lámina fina de un material que contiene litio situado entre dos detectores de semiconductor. Las partículas resultantes de la reacción nuclear, o sea la partícula alfa y el tritión, son emitidas en sentidos opuestos, inciden sobre los semiconductores y son detectadas. La interacción directa de los neutrones sobre el material semiconductor y la subsiguiente producción de señales no deseadas también impone una limitación a este detector.

Si

Si

radiador de Li-6

F iu gar9.24-E sprectóm oasndw ihcdelito.

9.13.- Detectores autoenergizados. Son detectores de muy pequeño tamaño, parecidos a la cámaras de fisión miniatura, pero basados en principios distintos de los hasta ahora descritos. Se emplean para medir flujos neutrónicos altos en el núcleo de los reactores nucleares situándolos en los elementos combustibles. No precisan que les sea aplicada ninguna alimentación eléctrica exterior a lo que obedece el calificativo de autoenergizados (en inglés: @selfpowered neutron detectors@).

36 /9.- DETECTORES DE NEUTRONES.

La configuración de estos detectores y su circuito de medida asociado son muy simples, tal como indica la Figura 9.25. Constan de un elemento sensible a los neutrones llamado emisor encerrado por una vaina metálica externa llamada colector. Entre el emisor y el colector existe un espacio relleno por un material aislante. La acción de los neutrones sobre el emisor produce partículas beta y/o radiación gamma. La radiación gamma puede, a su vez, interaccionar con el propio emisor y arrancar electrones. En definitiva, por efecto de los neutrones el emisor queda cargado positivamente respecto al colector y con el paso de electrones del emisor al colector se genera una corriente capaz de ser medida con un instrumento suficientemente sensible.

φ φ µ φ

Figura 9.25.- Detector autoenergizado de neutrones. Las características de estos detectores vienen fundamentalmente determinadas por la naturaleza de su electrodo central emisor de electrones. Deberá estar constituido por un isótopo de relativamente elevada sección eficaz de absorción de neutrones y que se transforme, tras dicha absorción, en un emisor de partículas beta de elevada energía y con período corto. O bien estar constituido por un isótopo en el que los fotones gamma de captura liberen eficientemente electrones energéticos por efecto fotoeléctrico, efecto Compton o conversión interna. La sección eficaz de captura de los neutrones determina la sensibilidad del detector. La alta energía de la emisión beta o de los electrones liberados permite a estos atravesar el aislante y alcanzar el colector. El período de semidesintegración en el caso de la radiactividad inducida determina la velocidad de respuesta del detector.

9.- DETECTORES DE NEUTRONES / 37

Tabla 9.1.- Emisores para detectores autoenergizados de neutrones Elemento

Reacción

s

Rapidez de respuesta

Rodio

(n, ß)

100 barn

T1/2 = 42 s

Vanadio

(n, ß)

4 barn

T1/2 = 4 min

Cobalto

(n, ?)

35 barn

Instantánea

Platino

(n, ?)

8 barn

Instantánea

Los emisores más utilizados en este tipo de detectores están formados por los elementos naturales incluidos en la Tabla 9.1. en la que se indica el tipo de reacción neutrónica que en ellos tiene lugar, la sección eficaz de la misma y el período de semidesintegración o la rapidez de respuesta. Cuando no se precisa respuesta inmediata los detectores de Rodio son los más sensibles por su elevada sección eficaz de captura, pero bajo la acción de flujos intensos de neutrones son los que más rápidamente se agotan por lo que para operaciones prolongadas pueden resultar preferibles los otro emisores. La sensibilidad de los detectores comerciales con emisor de Rodio es del orden de 10 A/n A cm-2 A s-1 y del orden de 10-21 para los de Vanadio. En los detectores de respuesta instantánea la sensibilidad es muy inferior. Unos y otros suelen ser empleados, en la práctica para medir flujos de neutrones térmicos comprendidos entre 107 y 1016 n A cm-2 A s-1. -20

Los detectores con emisor de Cobalto o de Platino, al operar por acción de los fotones gamma de captura, responden de forma prácticamente instantánea ante una variación brusca del flujo neutrónico que les afecta. Los detectores con emisor de Vanadio lo hacen exponencialmente con período de 3,8 minutos igual al de la radiactividad beta inducida. En el caso del Rodio, la formación de estados metastables determina que la actividad inducida decrezca con dos períodos: uno rápido de 42 segundos resultante del 85 % de las interacciones, y otro más lento, de 4,4 minutos en el 15 % restante. Estos últimos detectores no resultan por ello apropiados para seguir variaciones relativamente rápidas del flujo de neutrones que tratan de medir. La interacción de los neutrones y de la radiación gamma sobre el cable de conexión puede crear señales falsas que se sumarán a la señal verdadera. Para evitarlas algunos detectores poseen un hilo adicional próximo al hilo central de señal del emisor pero no conectado a éste. La señal generada en el hilo adicional procederá de las interacciones espúreas y se restará eléctricamente de la señal transportada por el hilo central. NOTA:

Esta lección está elaborada por el profesor Alcober Bosch, con la autorización de su autor, a partir de los capítulos 2 y 5 del libro de D. Agustín Tanarro Sanz @Instrumentación Nuclear@, publicado por el Servicio de Publicaciones de la Junta de Energía Nuclear (hoy CIEMAT). En base al mismo se han introducido algunas ampliaciones y actualizaciones.