Proportional counters equipped with thin B4C conversion layers for the detection of slow neutrons

Palavras-chave: Neutron Detection,Detecção de Neutrões

Devido às suas propriedades únicas, a irradiação com neutrões é uma ferramenta ideal para estudar a estrutura e os processos dinâmicos que ocorrem na escala atómica da matéria. Nos últimos anos, foi feito um investimento considerável na ciência de neutrões, que se materializou na construção de novas instituições de investigação que apenas recentemente iniciaram a sua operação, ou que serão iniciadas num futuro próximo. Estas instituições modernas fornecem feixes de neutrões de elevado fluxo, aumentado os limites de desempenho de detetores de neutrões. Adicionalmente, nas últimas duas décadas, detetores de neutrões foram massivamente instalados em aplicações de segurança interna, para controlar o transporte ilícito de materiais nucleares especiais entre fronteiras internacionais. Ao mesmo tempo, a comunidade científica ligada à ciência de neutrões foi abalada por uma grave escassez de 3He, o gás considerado como o padrão de referência na deteção de neutrões. A procura por alternativas tecnológicas aos detetores baseados em 3He, é maioritariamente restringida pelo fato de que apenas alguns isótopos têm uma probabilidade de interação relevante ao atravessados por neutrões. Na maioria dos casos, o mecanismo físico envolvido na sua deteção é a reação de captura nuclear de neutrões, na qual um neutrão é absorvido por um núcleo que posteriormente se divide em dois iões pesados, facilmente detetáveis devido ao seu alto poder ionizante. Na prática, para além do 3He, os únicos isótopos que têm uma probabilidade significativa de interagir com neutrões pela reação descrita são o 6Li e o 10B. Neste trabalho, dois novos detetores de neutrões foram desenvolvidos, ambos baseados no uso de camadas micrométricas de carboneto de boro (B4C). Um deles é o detetor aerossol, que consiste num contador proporcional gasoso com micropartículas de B4C em suspensão, com dimensões suficientemente reduzidas para permitir que ambas as partículas secundárias emitidas na reação de captura dos neutrões escapem e depositem grande parte da sua energia inicial no gás envolvente, estendendo assim o espectro de energias do detetor para energias mais altas. Foram investigadas estratégias para a otimização da dispersão das partículas, e feitas medidas com irradiação de neutrões para analisar a viabilidade deste conceito de deteção. Os resultados indicaram que a deteção simultânea de ambos os produtos de reação da captura de neutrões em partículas suspensas é possível. No entanto, manter uma suspensão homogénea e contínua das micropartículas por longos períodos de tempo é tecnicamente difícil. Um detetor aerossol semelhante foi também desenvolvido para a deteção de raios-X duros, substituindo o B4C por nanopartículas com elevado Z, de modo a aumentar a probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico, convertendo fotões de alta energia em fotoeletrões, raios-X característicos e eletrões de Auger, que têm maior probabilidade de serem detetados no volume gasoso. Usando nanopartículas de Bi2O3, um aumento de eficiência por um fator de 3.6 foi observado para fotões de 59.5 keV. O segundo detetor de neutrões apresentado é o detetor de coincidência, direcionado a aplicações que requerem boa resolução espacial. Este baseia-se numa camada de deteção composta por um filme fino de B4C depositado num substrato fino de Mylar, envolvido por um gás de deteção, e duas câmaras multifios em cada lado da camada. Como ambos os produtos da reação de captura de neutrões podem escapar simultaneamente da camada de conversão, o ponto de interação dos neutrões pode ser identificado quando ambas as partículas são detetadas em coincidência por cada uma das câmaras multifios. Através de simulações em GEANT4, verificou-se que mesmo com um número substancialmente inferior de neutrões detetados, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada em comparação com detetores convencionais que usam camadas espessas de deteção. Para a mesma irradiação de neutrões, e considerando apenas a limitação de resolução espacial provocada pelo alcance das partículas secundárias da reação de captura de neutrões no gás, os resultados de simulação indicam uma melhoria de resolução espacial por um fator de 8.25.

Área científica: Ciências Exactas e Naturais