Come rivelare i neutroni: strumenti e tecniche

Poiché i neutroni liberi si disintegrano in pochi minuti al di fuori di un nucleo atomico, i neutroni liberi possono essere ottenuti solo dal decadimento nucleare, dalle reazioni nucleari e dall’interazione ad alta energia, come radiazioni cosmiche o emissioni di acceleratori di particelle. Rivelare i neutroni liberi è però possibile solo indirettamente, attraverso tecniche specifiche illustrate in questo articolo accoppiate a rivelatori di radiazione di tipo tradizionale. Conoscere queste metodiche è assai importante sia per la protezione da queste pericolose particelle che per fini più squisitamente scientifici.

I neutroni hanno massa ma nessuna carica elettrica. Per questo motivo non possono produrre direttamente ionizzazione in un rivelatore e quindi non possono essere rilevati direttamente. Ciò significa che i rivelatori di neutroni devono fare affidamento su un processo di conversione in cui un neutrone incidente interagisce con un nucleo per produrre una particella carica secondaria. Queste particelle cariche vengono quindi rilevate direttamente e da esse si deduce la presenza di neutroni.

Infatti, al di fuori del nucleo, i neutroni liberi sono instabili e hanno una durata media di vita di 885,7 ± 0,8 s (circa 14 minuti e 46 secondi). I neutroni liberi decadono per emissione di un elettrone e di un antineutrino elettronico per diventare un protone, un processo noto come decadimento beta. Sebbene il protone e l’elettrone prodotti dal decadimento dei neutroni siano rilevabili, il tasso di decadimento è troppo basso per servire come base per un pratico sistema di rivelazione.

La reazione di decadimento dei neutroni liberi.

Classificazione e caratteristiche dei neutroni liberi

I neutroni liberi possono essere classificati in base alla loro energia cinetica. Questa energia è solitamente espressa in elettronvolt (eV). Anche il termine “temperatura” può descrivere questa energia che rappresenta l’equilibrio termico tra un neutrone e un mezzo con una certa temperatura. Si possono distinguere 8 diversi livelli nello spettro di energia dei neutroni (si veda la figura sotto per i valori): freddi, termici, epitermici, lenti, risonanti, intermedi, veloci, ultraveloci.

I neutroni veloci sono neutroni di energia cinetica superiore a 1 MeV (15.000 km/s). Nei reattori nucleari, questi neutroni sono solitamente chiamati neutroni di fissione. Essi hanno una distribuzione di energia di Maxwell-Boltzmann con un’energia media di 2 MeV. I neutroni veloci vengono rallentati alle energie termiche tramite un materiale moderatore (acqua, polietilene, etc.). Questi neutroni sono prodotti anche da processi nucleari come la fissione nucleare o le reazioni (ɑ, n), come ad es. nel berillo.

La classificazione dei neutroni in base alla loro energia cinetica.

I neutroni termici, invece, sono neutroni in equilibrio termico con un mezzo circostante di temperatura pari a 17 °C. L’energia più probabile a 17 °C per la distribuzione maxwelliana – in pratica, la parte più importante dello spettro nei reattori termici – è 0,025 eV (pari a una velocità di 2 km/s).  I neutroni termici hanno una sezione trasversale di assorbimento dei neutroni effettiva diversa e spesso molto più ampia (per la fissione o per la cattura radiativa) per un dato nuclide rispetto ai neutroni veloci.

La sezione d’urto dei neutroni termici si comporta secondo la legge 1/v: aumenta al diminuire della velocità del neutrone. Le sezioni d’urto dei neutroni veloci sono molto più piccole rispetto all’intervallo di energia per i neutroni lenti. Pertanto, i neutroni veloci vengono spesso rilevati dapprima moderandoli (rallentandoli) a energie termiche. Tuttavia, durante questo processo si perdono le informazioni sull’energia originale del neutrone, sulla sua direzione di viaggio e sul tempo di emissione.

La sezione d’urto rappresenta l’area effettiva affinché una determinata reazione (ad es. la cattura di un neutrone) si verifichi.

In generale, ci sono molti princìpi di rilevamento dei neutroni e molti tipi di rivelatori. Nei reattori nucleari, i rivelatori a ionizzazione gassosa sono i più comuni, poiché sono molto efficienti, affidabili e coprono un’ampia gamma di flussi di neutroni. Vari tipi di rivelatori a ionizzazione gassosa costituiscono il cosiddetto sistema di strumentazione nucleare “excore”. Il sistema di strumentazione nucleare excore monitora il livello di potenza del reattore rilevando la perdita di neutroni dal nocciolo del reattore.

I convertitori e l’uso con contatori proporzionali

Il rilevamento dei neutroni non è banale, poiché i neutroni sono particelle elettricamente neutre, quindi sono principalmente soggette a forze nucleari forti ma non a forze elettriche. Pertanto i neutroni non sono direttamente ionizzanti e di solito devono essere convertiti in particelle cariche prima di poter essere rilevati attraverso uno dei numerosi tipi di rivelatori di radiazione convenzionali: rivelatore a scintillazione, rivelatore a gas (a ionizzazione, proporzionale, etc.), rivelatore a semiconduttore.

In genere ogni tipo di rivelatore di neutroni deve essere dotato di convertitore e di uno dei rivelatori di radiazioni convenzionali. In questo caso il rivelatore è del tipo a semiconduttore.

Quindi, generalmente, ogni tipo di rivelatore di neutroni deve essere dotato di un materiale convertitore per convertire la radiazione di neutroni in una radiazione rilevabile comune, come mostrato in figura. A tal fine sono disponibili due tipi fondamentali di interazioni dei neutroni con la materia, lo scattering elastico e l’assorbimento di neutroni. Vediamoli perciò un po’ più in dettaglio:

Scattering elastico. Il neutrone libero può essere diffuso da un nucleo, trasferendo parte della sua energia cinetica al nucleo stesso. Se il neutrone ha energia sufficiente per disperdere i nuclei, il nucleo che rincula ionizza il materiale che circonda il convertitore. In effetti, solo i nuclei di idrogeno ed elio sono abbastanza leggeri per l’applicazione pratica. La carica prodotta in questo modo può essere raccolta dal rivelatore convenzionale per produrre un segnale rilevabile. Questo metodo è appropriato per rivelare neutroni veloci (che non hanno una sezione trasversale elevata per l’assorbimento) senza un moderatore.

Assorbimento di neutroni. Questo è un metodo comune che consente il rilevamento di neutroni dell’intero spettro di energia. Esso si basa su una varietà di reazioni di assorbimento (cattura della radiazione, fissione nucleare, reazioni di riarrangiamento, etc.). Il neutrone viene assorbito dal materiale bersaglio (convertitore), che emette particelle secondarie come protoni, particelle alfa, particelle beta, fotoni (raggi gamma) o frammenti di fissione. Alcune reazioni sono di soglia (cioè richiedono un’energia minima dei neutroni), ma la maggior parte si verificano a energie intermedie e termiche. Ciò significa che è necessaria la moderazione dei neutroni veloci, che portano una scarsa informazione energetica.

Le sezioni d’urto di cattura neutronica del Boro e del Litio. Si noti come esse siano assai più grandi per i neutroni termici.

Le due reazioni di assorbimento più comuni per il materiale del convertitore sono le seguenti:

  • 10B (n, α). Dove la sezione d’urto di cattura dei neutroni per i neutroni termici è σ = 3820 barn e il boro naturale ha un’abbondanza di Boro-10 pari al 19,8%. Un comune metodo di rivelazione dei neutroni impiega, ad esempio, dei rivelatori a gas (contatori proporzionali) riempiti di BF3 che utilizzano la fissione dell’atomo Boro-10 per fornire la particella carica, che è una particella alfa. Qui sotto mostriamo le due reazioni coinvolte in questo processo:

  • 3He (n, p). Dove la sezione d’urto di cattura dei neutroni per i neutroni termici è σ = 5350 barn e l’elio naturale ha un’abbondanza di Elio-3 dello 0,014%. La reazione più comune utilizzata oggi per la rivelazione di neutroni termici ad alta efficienza è mostrata qui sotto, dove sia il protone che il trizio vengono rilevati da contatori proporzionali riempiti di gas usando il gas di riempimento He-3. Un gas di raffreddamento viene inoltre aggiunto per controllare il processo di ionizzazione.

La reazione citata e, a destra, un tubo rivelatore (riempito di He-3 a 4 atm) basato su di essa, avente una sensibilità di circa 700 CPM usando una sorgente di neutroni Po-Be da 1 mCi.

I contatori proporzionali riempiti di gas offrono un’amplificazione a basso rumore dell’evento di ionizzazione producendo un impulso di carica elaborato dalla catena elettronica collegata. Offrono un’elevata efficienza di rilevamento con un’eccellente discriminazione gamma. I rivelatori proporzionali a gas, però, sono efficienti solo per neutroni termici (a bassa energia); per i neutroni ad alta energia le loro sezioni d’urto di cattura sono molto piccole, rendendo molto improbabile che un neutrone interagisca con il gas di riempimento e provochi la necessaria reazione di rilevamento.

Per questo motivo è necessario rallentare i neutroni per aumentare la probabilità di interazione. Ciò di solito viene fatto circondando il rivelatore e/o il campione con un materiale ricco di idrogeno (moderatore) come ad es. il polietilene ad alta densità. Tipicamente, 10 cm di polietilene circondano il rivelatore con pochi cm tra i contatori proporzionali e la sorgente di neutroni. Lo spettro dell’altezza dell’impulso dall’interazione di un neutrone termico in un tipico rivelatore di neutroni a He-3 apparirà come in figura.

Spettro di altezza dell’impulso indotto da neutroni termici da un rivelatore a He-3 moderato.

Si noti che non ci sono informazioni sullo spettro dei neutroni primari. Poiché tutti i neutroni rilevati sono stati moderati per ridurre la loro energia al livello termico, tutte le informazioni sull’energia dei neutroni vengono perse. Tutti gli eventi di interesse rientrano in un picco, che è l’energia di reazione (765 keV). Una volta che un discriminatore è stato impostato per eliminare l’interferenza gamma e gli eventi prodotti dalle interazioni con le pareti del tubo rilevatore, è sufficiente un semplice conteggio lordo.

Rivelazione con le camere a ionizzazione

Le camere a ionizzazione sono spesso utilizzate come dispositivo di rilevamento delle particelle cariche. Un primo tipo di rivelatore utilizzato è costituito dalle camere a ionizzazione rivestite di boro. Ad esempio, se la superficie interna della camera di ionizzazione è rivestita con un sottile strato di boro, può avvenire la reazione 10B (n, α). La maggior parte delle reazioni (n, α) dei neutroni termici sono reazioni 10B (n, α) 7Li, che producono una particella alfa accompagnate da emissione gamma di 0,48 MeV.

La particella α emessa può ionizzare il gas e quindi può essere prodotto un segnale misurabile. Una semplice camera a ionizzazione ad aria è un eccellente rivelatore di particelle alfa e può anche essere facilmente autocostruita (vedi qui). Inoltre, l’isotopo Boro-10 ha una sezione trasversale di reazione elevata (n, α) lungo l’intero spettro di energia dei neutroni. La particella alfa provoca ionizzazione all’interno della camera e gli elettroni espulsi causano ulteriori ionizzazioni secondarie.

Una tipica particella alfa di circa 5 MeV di energia percorre 3,8 cm nell’aria atmosferica. In figura, il percorso di una particella carica in una camera a nebbia.

Un altro metodo per rilevare i neutroni usando una camera di ionizzazione consiste nell’usare il gas boro trifluoruro (BF3) invece dell’aria nella camera. I neutroni in arrivo producono particelle alfa quando reagiscono con gli atomi di boro nel gas rilevatore. Entrambi i metodi possono essere utilizzati per rilevare i neutroni prodotti in un reattore nucleare. Va notato che i contatori BF3 vengono solitamente azionati nella regione proporzionale per ottenere un miglior rapporto segnale / rumore.

Le camere riempite di BF3 sono comunemente utilizzate per la rivelazione dei neutroni e hanno le stesse caratteristiche delle camere standard. Tuttavia, la difficoltà nella purificazione del gas BF3 e la sua degradazione nel tempo sono un grosso problema con queste camere. L’altra possibilità è utilizzare il boro in forma solida, che è relativamente più facile da purificare e mantenere. Tali rivelatori, illustrati in precedenza, sono in realtà preferiti alle camere BF3 per questo motivo.

Il boro si trova comunemente in commercio sotto forma di borace, che va maneggiata con cautela (e indossando guanti) a causa dei suo effetti irritanti sugli occhi e nocivi sulla fertilità. 

In un tale rivelatore, il boro è rivestito all’interno della camera cilindrica, che è riempita con un gas convenzionale o con aria. Nelle camere a ionizzazione per neutroni disponibili in commercio il boro è arricchito fino a circa il 20% in peso in Boro-10 (che è l’abbondanza naturale di tale isotopo nel boro), mentre nelle camere fatte su misura vengono utilizzate concentrazioni molto più elevate di Boro-10. Lo spessore del rivestimento di boro viene mantenuto inferiore al range medio delle particelle α.

Ciò garantisce che la maggior parte delle particelle α entrino nel volume della camera e vengano rivelate. Il meccanismo di rilevamento dei neutroni lenti in una camera cilindrica rivestita di boro è mostrato nella figura. La camera rivestita di boro viene utilizzata principalmente come contatore proporzionale per poter essere usata anche in ambienti con bassi livelli di radiazione, ma in ambienti ad alta radiazione può essere usata anche nella regione a ionizzazione dei rivelatori a gas.

Principio di rilevamento di un neutrone lento da una camera cilindrica rivestita di boro.

Rivelazione dei neutroni con contatori Geiger

I contatori Geiger-Muller standard sono praticamente insensibili al flusso di neutroni a causa delle sezioni d’urto di bassa interazione neutronica nei normali gas di riempimento utilizzati (argon o elio). I neutroni, privi di carica elettrica, difficilmente possono ionizzare gli atomi e interagiscono quasi esclusivamente con i nuclei. Pertanto, al solito per rilevare i neutroni è necessario utilizzare un materiale con il quale i neutroni possono interagire e produrre una particella ionizzante diversa.

Non è comune, ma i contatori Geiger possono essere utilizzati anche per il rilevamento dei neutroni. In questo caso, però, il tubo Geiger-Mueller non è di tipo normale, bensì deve avere l’interno rivestito di boro, oppure il tubo deve contenere trifluoruro di boro (BF3) o l’Elio-3 come gas di riempimento. Inoltre, un moderatore di plastica viene utilizzato per rallentare i neutroni. Ciò crea una particella alfa all’interno del rivelatore e quindi i neutroni possono essere contati.

I tubi Geiger normali non vanno bene per la rivelazione diretta di neutroni. Occorre che siano riempiti di un convertitore oppure associati a un foglio di attivazione neutronica più un moderatore, come descritto più avanti.

Rivelazione con i contatori a scintillazione

I contatori a scintillazione  possono essere utilizzati anche per il rilevamento di neutroni. La rivelazione dei neutroni veloci (> 0,5 MeV) si basa principalmente sul protone di rinculo prodotto nelle reazioni (n, p). I materiali ricchi di idrogeno, ad esempio gli scintillatori plastici, sono quindi i più adatti per la loro rilevazione. La rivelazione dei neutroni termici si basa invece su reazioni nucleari come le reazioni (n, γ) o (n, α), per produrre ionizzazione, sfruttando materiali come LiI (Eu) o silicati di vetro.

Il tipo più importante di rivelatori per neutroni veloci, in effetti, sono quelli che rilevano direttamente le particelle di rinculo, in particolare protoni di rinculo risultanti dallo scattering elastico (n, p). Questo metodo consente di misurare l’energia del neutrone insieme alla fluenza del neutrone, ovvero il rivelatore può essere utilizzato come spettrometro. I rivelatori di neutroni veloci tipici sono gli scintillatori liquidi, i rivelatori con gas nobili a base di elio-4 ed i rivelatori a scintillazione plastici.

I protoni prodotti, a loro volta, possono produrre luce nello scintillatore. In tal modo, i neutroni veloci possono essere rilevati in qualsiasi scintillatore organico (plastico o liquido). L’efficienza di assorbimento di uno scintillatore liquido può essere aumentata aggiungendo lo 0,5% in peso di gadolinio al liquido. In alcuni scintillatori liquidi, i neutroni veloci producono scintillazioni con diversi tempi di decadimento per neutroni e gamma, ma le si possono distinguere con tecniche di discriminazione dell’impulso.

I diversi tempi di decadimento dovuti ai neutroni ed ai raggi gamma.

Invece i neutroni termici (o quelli veloci opportunamente “moderati”) producono uno spettro continuo negli scintillatori organici e possono essere rivelati mediante una reazione nucleare con atomi di Li-6 in materiali di scintillazione contenenti litio. In questa reazione, vengono prodotti un atomo di trizio (un isotopo dell’idrogeno) e una particella alfa. Un esempio di tale materiale è il 6LiI (Eu) o vetro di Li-6 drogato con Ce. È possibile arricchire fino al 96% di Li-6 questi materiali di scintillazione.

I neutroni termici producono un picco gamma negli scintillatori in vetro di litio drogati con Ce a un’energia equivalente a circa 1.9 MeV. Nel 6LiI (Eu), il picco dei neutroni termici è superiore a 3,6 MeV, il che fornisce una separazione significativamente migliore dai raggi gamma naturali (<2,6 MeV). Di seguito sono mostrati alcuni tipici spettri di neutroni termici per il vetro di litio ed il 6LiI (Eu). Un altro vantaggio degli scintillatori in vetro di litio è il loro tempo di decadimento più breve.

Spettri di neutroni termici per il vetro di litio (in alto) ed il LiI (Eu) (in basso).

Rivelazione attraverso i fogli di attivazione

Per energie di radiazione di diversi MeV e inferiori, le particelle cariche e gli elettroni veloci non inducono reazioni nucleari nei materiali assorbitori. Anche i raggi gamma con energia inferiore a pochi MeV non inducono prontamente reazioni con i nuclei. Pertanto, quando quasi tutti i materiali vengono bombardati da queste forme di radiazione, i nuclei rimangono inalterati e nessuna radioattività viene indotta nel materiale irradiato. I neutroni costituiscono un’eccezione a questo comportamento.

Poiché non trasportano alcuna carica, i neutroni anche di bassa energia possono interagire facilmente con i nuclei e indurre un’ampia selezione di reazioni nucleari. Molte di queste reazioni portano a prodotti radioattivi la cui presenza può essere successivamente misurata utilizzando rivelatori convenzionali per rilevare le radiazioni emesse nel loro decadimento. Ad esempio, molti tipi di nuclei assorbiranno un neutrone per produrre un nucleo radioattivo, in un processo noto come “attivazione”.

L’attivazione dei neutroni è il processo in cui la radiazione neutronica induce la radioattività nei materiali e si verifica quando i nuclei atomici catturano i neutroni liberi, diventando più pesanti ed entrando in stati eccitati. Il nucleo eccitato decade immediatamente emettendo raggi gamma, o particelle. Pertanto, il processo di cattura dei neutroni spesso si traduce nella formazione di un prodotto di attivazione instabile. Tali nuclei radioattivi possono esibire emivite che vanno da piccole frazioni di secondo a molti anni.

Il processo di attivazione neutronica.

Tutti i materiali presenti in natura, inclusi aria, acqua e suolo, possono essere indotti (attivati) dalla cattura di neutroni in una certa quantità di radioattività in vari gradi, come risultato della produzione di radioisotopi ricchi di neutroni. Alcuni atomi richiedono più di un neutrone per diventare instabili, il che li rende più difficili da attivare perché la probabilità di una doppia o tripla cattura da parte di un nucleo è, evidentemente, inferiore a quella di una singola cattura.

L’acqua, ad esempio, è composta da idrogeno e ossigeno. L’idrogeno richiede una doppia cattura per raggiungere l’instabilità come trizio (idrogeno-3), mentre l’ossigeno naturale (ossigeno-16) richiede tre catture per diventare instabile ossigeno-19. Pertanto l’acqua è relativamente difficile da attivare, rispetto ad esempio al cloruro di sodio (NaCl) – il comune sale da cucina – in cui sia gli ioni sodio che quelli cloro diventano instabili con una singola cattura ciascuno. L’attivazione del sodio nel corpo umano al Sodio-24 può fornire una buona stima immediata dell’esposizione acuta accidentale di neutroni.

Durante il tempo in cui un campione di questo materiale “attivabile” è esposto ai neutroni, si accumula una popolazione di nuclei radioattivi. Quando il campione viene rimosso dall’esposizione ai neutroni, la popolazione decade con una data emivita. Ad es., con un flusso di neutroni termici di 1014 n/cm2, 6-7 sec di irradiazione bastano per rivelare elementi con emivita < 30 min. Infatti, alcuni tipi di radiazioni vengono quasi sempre emesse nel decadimento, spesso particelle beta o raggi gamma o entrambi, che possono quindi essere contati utilizzando uno dei metodi di rilevamento tradizionali.

Lo spettro gamma di attivazione neutronica dell’alluminio. Questo metodo che fa uso di uno spettrometro gamma offre un elevato rapporto segnale / rumore.

I neutroni possono essere rilevati, in pratica, utilizzando lamine di attivazione. Questo metodo si basa sull’attivazione dei neutroni, in cui un campione analizzato viene prima irradiato con neutroni per produrre radionuclidi specifici. Il decadimento radioattivo di questi radionuclidi prodotti è specifico per ogni elemento (nuclide). Ogni nuclide emette i raggi gamma caratteristici che vengono misurati usando la spettroscopia gamma, determinando lo specifico radionuclide e le concentrazioni degli elementi.

I materiali scelti per le pellicole di attivazione sono ad esempio: indio, oro, rodio, ferro, alluminio, niobio. Questi elementi hanno ampie sezioni d’urto per la cattura radiativa dei neutroni. L’uso di più campioni di assorbitori consente la caratterizzazione dello spettro di energia dei neutroni. L’attivazione consente anche di ricostruire l’esposizione storica ai neutroni. I dosimetri per incidenti critici disponibili in commercio utilizzano spesso questo metodo: misurando la radioattività di lamine sottili, possiamo determinare la quantità di neutroni a cui sono state esposte le lamine.

Esistono fogli di attivazione per neutroni veloci (0,6-13,5 MeV) – che possono essere di Al, Cu, Fe, In, Mg, NaCl, Ni, S, Ti, V, Zn, Zr – come pure fogli per neutroni termici (25 keV-5 MeV), che possono essere di Au, Co, Cu, Fe, In, Mo, NaCl, Sc, W; come pure fogli di attivazione a largo spettro. Per indurre abbastanza radioattività da consentire misurazioni ragionevolmente accurate, sono necessari flussi di neutroni relativamente intensi. Pertanto, le lamine di attivazione sono spesso utilizzate come tecnica per misurare i campi di neutroni attorno a reattori, acceleratori o altre sorgenti intense di neutroni.

Fogli di attivazione commerciali (a sinistra) e un esempio di soluzione fai-da-te (a destra).

Un semplice modo per dimostrare che la fusione nucleare è avvenuta all’interno di un dispositivo o reattore è usare un contatore Geiger per misurare la radioattività dei raggi gamma prodotti da un foglio di alluminio (la stagnola è spessa < 0,2 mm). Tale radioattività è direttamente proporzionale alla produzione di neutroni, e viene solitamente determinata misurando le emissioni di raggi gamma dei bersagli di attivazione dei neutroni in alluminio o rame. L’alluminio può catturare un neutrone e generare Sodio-24 radioattivo, che ha un’emivita di 15 ore e un’energia di decadimento beta di 5,5 MeV.

L’attivazione neutronica dell’alluminio può avvenire mediante diverse reazioni di cattura dei neutroni. Quattro di queste reazioni sono descritte qui di seguito: 27Al + n = 28Al, 27Al (n, α) 24Na, 27Al (n, 2n) 26Al e 27Al (n, p) 27Mg. I nuclei radioattivi 28Al, 24Na e 27Mg, prodotti tramite le reazioni neutroniche 27Al + n = 28Al, 27Al (n, α) 24Na e 27Al (n, p) 27Mg, decadono tramite decadimento beta in stati eccitati di 28Si, 24Mg e 27Al rispettivamente. Questi stati eccitati emettono, a loro volta, raggi gamma quando i nuclei si diseccitano nei rispettivi stati fondamentali.

I rivelatori di neutroni a bolle

Una tecnica relativamente recente che è stata introdotta per la misurazione dell’esposizione ai neutroni coinvolge un dispositivo noto come goccia surriscaldata o rilevatore di bolle, che in Italia è reperibile in commercio al prezzo di alcune centinaia di euro (più i rilevanti costi di spedizione, essendo il produttore canadese). Il suo funzionamento si basa su una sospensione di tante piccole goccioline di un liquido (come il Freon) in una matrice inerte costituita da un polimero o da un gel.

Un rivelatore a bolle come appare prima e dopo la rivelazione dei neutroni.

Il campione in questione, in pratica, è contenuto in una fiala sigillata o in un altro contenitore trasparente e la pressione sul campione viene regolata opportunamente per creare le condizioni in cui le goccioline di liquido sono surriscaldate (e, successivamente, per resettare il rivelatore); cioè, vengono riscaldate al di sopra del loro punto di ebollizione ma rimangono allo stato liquido. La trasformazione allo stato di vapore deve essere innescata dalla creazione di un qualche tipo di centro di nucleazione.

Questo stimolo può essere fornito dall’energia depositata dal nucleo di rinculo creato dalla dispersione di un neutrone incidente. Quando si verifica un tale evento, la goccia vaporizza improvvisamente e crea una bolla che rimane sospesa all’interno della matrice. Nel corso dell’esposizione ai neutroni, si formano bolle aggiuntive e il conteggio del loro numero totale è correlato all’intensità del flusso di neutroni incidenti. Per resettare il rivelatore, basta far collassare le bolle in goccioline attraverso la ricompressione.

Il rilevatore di neutroni a bolle, inoltre, risulta essere insensibile ai raggi gamma perché gli elettroni veloci creati nelle interazioni dei raggi gamma hanno un valore troppo basso di dE/dx per servire da centro di nucleazione. Sono ottimi nel monitoraggio dell’esposizione a causa della loro buona sensibilità a bassi livelli di flussi di neutroni e della loro immunità ai raggi gamma. Lo stesso tipo di dispositivo può essere trasformato in un rilevatore attivo, o contatore, collegando un sensore piezoelettrico.